新型拉索单层柱面网壳结构性能初探

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会新型拉索一单层柱面网壳结构性能初探王秀丽徐英雷张宪江(兰州理工大学土木工程学院，兰州730050)摘要：本文所提出的新型拉索一单层柱面网壳结构，是指根据单层圆柱面网壳与大跨度圆弧拱粱承受竖向均布荷载时的内力分布及变形相似的特征．将一种新型平面索拱结构的理念引入到空间网壳中而构成的新型结构体系。该新型结构是在单层柱面网壳壳体曲面内外侧沿横向杆件拱轴线增加适当的撑杆和预应力索，以改善其受力性能、提高其刚度和承载力。通过有限元软件ANsYs分析了特定参数下新型拉索一单层柱面网壳结构在不刚竖向荷载作用下以及

2、施加不同的初始预应力时最大内力和最大位移的变化规律，同时与单斜杆型单层圆柱面嘲壳进行，对比，结果显示该新型结构具有很大的优越性．刚度和承载力都有较大的提高。关键词：单层柱面网壳结构，捧杆—索体系，预应力．刚度，承载力一、引言工程中，由于单层圆柱面网壳受到其自身刚度和力学特性的影响，相比其它形式的单层网壳在跨度上受到很大的限制。《网壳结构技术规程》中规定：单层圆柱面网壳当沿纵向边缘落地支承时，跨度不宜大于25m⋯，这就意味着其应用范围受到一定的制约。从内力的分布及变化规律来看，各种类型的单层圆柱面网壳沿长跨方向的杆件内力均较小，但在

3、柱面网壳法平面内的弯矩Mz很大，导致横向杆件的弯曲应力很大，弯曲应力甚至大于轴向应力，有些杆件还大很多，且弯曲应力较大的杆件遍及全结构。其中，尤以单斜杆型柱面网壳结构的杆件布置不利于力的传递，荷载几乎都由沿拱轴方向的横向主拱进行传递，故横向杆件的内力很大：斜杆仅传递很少部分的荷载，内力很小，应力也很小，多为构造杆；网格的内力分布很’不均匀。因此，矩形网格加斜杆型单层圆柱面网壳相比三向网格等其它类型的单层圆柱面网壳力学性能更待改善。目前，预应力结构日新月异，鉴于预应力技术的众多优点，可以预见将预应力技术引入到单层圆柱面网壳中来在某种

4、程度上必将提高其在大跨度下的各项性能。近年，清华大学郭彦林教授等人相继提出一种新型平面索拱结构“’，该索拱结构是基于平面拱形结构承受全跨均布荷载时的受力机理，从减少其内力幅值的角度引入预应力而形成的新型结构体系。其布索的基本思想是：针对拱结构在全跨均布荷载作用下受力形式以压弯为主，在跨中、跨度1／4和3／4部位产生较大的弯矩幅值(纯拱结构在全跨均布荷载作用下的弯矩图如图l(a)所示)，当在钢拱梁的中间部分内侧和两边部分外侧增加适当的撑杆一索体系时则可以削减这些弯矩幅值(新型平面索拱结构模型如图1(b)．(c)所示)。文献3针对图l

5、(c)所示结构模型在即定的结构参数下和不同跨度时，承受全跨荷载和半跨荷载等不同工况作用时的受力性能进行了深入的探讨，并提出初步的改进方案。3。。分析表明：在拱形结构中引入预应力撑杆一索体系确实能在一定程度上改图1纯拱结构受全跨均布荷载作用下的弯矩图及新型平面索拱结构模型工业建筑2007增刊第七届全国现代结构丁程学术研讨会善拱的受力性能，提高结构的承载力和整体稳定性，限制其变形，达到提高其跨度的目的。本文以源于这种思想建立的新型拉索预应力单层圆柱面嘲壳为基础，主要针对沿纵边支承矩形网格r喜斜杆型式，在保证撑杆一索体系稳定性的前提下，

6、对该新型结构的基本力学性能进行初步探索，以期最终达到提高单层圆柱面网壳跨越能力的目的。二、分析模型的建立利用有限元软件ANsYs分别建立单斜杆型圆柱面网壳结构和以此为基础形成的新型拉索一单层柱面网壳结构模型如图2所示，其中新型结构中的网壳部分参数与单层网壳完全相同(为求清晰以图充分显示撑杆一索体系的布置情况，新型结构图中未画出网壳斜杆)。单层圆柱面网壳跨度为60m．矢高18m，矢跨比0．3，沿横向主拱轴线按等弧长原则将其划分为20份，通过拱轴曲线等分点作平行纵向直线．壳长取为80Ⅲ，壳长方向网格长度为每隔4m一格，共20格。屋面荷

7、载标准值：屋面恒载取O．3kN／Ⅲ2(采用拱形彩色钢板)，吊顶取0．12kN／Ⅲ2(采用V型轻钢龙骨及铝合金龙骨吊顶)，屋面活荷载取为0．5kN／m2．基本雪压取为0．40kN／m2，不考虑风荷载作用，将各荷载工况均布面荷载转化为作用在单层网壳上的节点力计算，计及杆件的自重(在程序中自动完成)。横向杆件、纵向杆件和斜向杆件分别采用中426×12、中325×8和中203×6热轧无缝钢管，‘均按计算确定。在壳体曲面内侧每榀横向主拱的跨中对称布置7根撑杆，从跨中到两边撑杆长度依次取为3．9m、3．6m、3m、1．8m；在横向主拱两端壳体

8、曲面外侧每端分别按2根、3根间隔布置撑杆，撑杆长度皆为2．7m；每根撑杆间以柔性钢索相连以保证其稳定性，壳体两侧曲面外侧拉索采用整体交叉布置。撑杆采用0180×6热轧无缝钢管，拉索采用19中5的钢绞线。拉索与撑杆、拉索与横向主钢拱、撑杆与横向主钢拱