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1、第3卷第4期空间结构1997年11月网壳结构的边界条件及支座设计董继斌刘善维(煤炭部太原设计研究院太原030001)摘要本文结合边界条件对结构强度、刚度、水平推力和温度应力等几方面的影响探讨了网壳结构边界条件的选型,还结合网壳结构的一般边界条件,提出了网壳支座的合理型式和应用范围;并且提供了常见支承条件下,网壳支座的设计思路和方法。关键词网壳边界条件支座一、前言近年来,建筑跨度越来越大、体型越来越复杂,网壳结构在工业与民用建筑中的应用也日趋增多。由于没有指导网壳结构设计与施工的规程,一般结构工程师在设计网壳结构时,大多[1]套用网架结构设计与施工
2、规程。但是,网壳结构的受力性能与网架结构相比毕竟有较大的区别:从网壳结构计算模型的确定到节点、杆件的设计方法都有不同于网架结构的地方,完全套用网架结构的设计方法来设计网壳结构将带来严重后果,因此有必要重新认识网壳结构设计的每一环节。边界条件假定是结构计算的重要一环。网壳结构对边界条件的要求较网架结构要高,本文将结合边界条件对结构强度、刚度、水平推力和温度应力等几方面的影响来探讨网壳结构边界条件的选型。网壳结构的支座节点是网壳结构的重要构件,是网壳结构与下部支承结构的连接纽带,是实现边界条件假定的重要途径。支座节点的设计是网壳结构设计的一个重要组成
3、部分,其设计的成败直接关系到网壳结构的边界条件假定能否成立,关系到网壳实际受力状况与计算模型是否一致,影响到网壳结构的整体安全。本文将结合网壳结构的一般边界条件,提出网壳支座的合理型式和应用范围。网壳支座的受力状态与网架结构有所不同,完全借用网架支座的设计方法来设计网壳结构的支座是偏于不安全的,在此有必要对常用支座的设计思路和方法作一交代。二、网壳结构的边界条件文稿收到日期:1997.6.6。391.网壳结构与网架结构边界条件的区别网壳结构的受力性能与网架结构有较大区别,网架结构在某种意义上其整体受力性能类似于平板,结构以受弯曲力为主,而网壳结构
4、则更接近于连续壳体,结构受力以薄膜力为主,双层网壳则具有单向或双向拱(索)的受力特点。因此这两种结构对边界条件有不同的要求。通常在设计周边支承的网架结构时,都选择沿边界切向固定、法向放松的约束条件。这一方面是因为网架结构的下部支承结构在边界的法向比较柔,容易满足以上假定;另一方面网架结构自身也需要这样的边界来释放由温差引起的温度应力和其它次应力。对于矢跨比很小的微曲面双层网壳,也有将边界法向约束放松的作法。这主要是因为:在这种情况下,即使结构边界按沿法向约束计算,网壳也不再以承受薄膜力为主,其受力特点已接近于平板网架结构;而且由于壳体曲面与边界的
5、夹角太小,如果让边界法向约束,将会产生很大的水平推力,给支座和下部结构设计带来很大困难;另外,由于网壳结构比较扁平,其下部支承结构就必然高柔,这样也比较接近法向放松的计算假定。这时,结构可以看作是一个微弯的网架,而不是网壳。而对一般网壳结构而言,由于结构自身所具有的拱(索)受力特性,其对下部支承结构有必然的推(拉)趋势,如果放松边界的法向约束,结构的支座节点会沿边界法向产生较大的水平位移,网壳结构就丧失了壳体的受力特性,从承受薄膜力转为承受弯曲力,这必然会削弱结构的实际承载能力、降低结构的整体刚度。严重时还会危及结构的安全。因此,对于一般网壳结构
6、,沿边界法向的约束是不可缺少的,当然,沿边界法向的支座水平推(拉)力也是必然存在的。2.边界水平支承刚度对网壳结构受力性能的影响支承刚度对网架结构和网壳结构的影响也有不同之处。对于周边支承的平板网架结构,对支承刚度仅有一个定性的要求:边界法向水平支承刚度越小越容易满足计算假定。对网壳结构的计算分析表明,网壳结构是一类对边界条件较敏感的结构,边界条件的细微变化将对结构产生较大的影响。文献[2]关于支座侧向支承刚度对双层柱面网壳结构受力特性的影响作了详细的论述:随着支承刚度的降低,杆件内力将逐渐由上、下弦均受压向上弦受压、下弦受拉转变,也就是说,结构
7、从承受薄膜力向承受弯曲力转变;跨中挠度和支座侧向位移均有所增加;而支座反力却有所降低。以上结论同样适用于其他型式的网壳结构。分析结果表明,弹性支承刚度的不同取值对网壳结构受力特性的影响程度也不同,因此,在设计网壳结构时,不能只定性的选用弹性支承,而是应将实际结构的弹性支承刚度代入进行定量的分析,这一点比网架结构设计要严格得多。值得注意的是:当支承刚度接近于刚性时,支座的水平推力会大大增加。因此,在设计对水平推力有限制的柱面网壳时,不宜采用刚性支承,而采用弹性支承的网壳结构,虽然支座水平推力明显减小,但跨中挠度却明显增大,使结构的整体刚度有所降低,
8、网壳的实际承载能力也会减小。因此,在工程设计中,采用弹性支承也应慎重。3.温度应力问题对网壳结构边界条件选型的影响在网架结构中,支座条件
