金属拱型波纹屋盖结构稳定性探究

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1、金属拱型波纹屋盖结构稳定性探究摘要：金属拱型波纹屋盖结构是一种新型的金属拱型薄壳结构.本文从理论出发，利用板壳有限元原理，将金属拱型波纹屋盖中带有波纹的腹板和底板等效成正交各向异性薄壳单元，并按照等效膜面刚度原则推导出薄壳单元的弹性常数的计算公式。建立起简化计算模型，通过有限元计算程序ANSYS对该结构进行稳定性研究，并与试验结果进行了比较，数据符合较好。关键词：金属拱型波纹屋盖，有限元分析，静力分析Abstract:ArchedCorrugatedMetalRoof(ACMR)isanewtypeofmetala

2、rchedthinshellstructure.Usingthedegreeoftheoreticalanalysisandthefiniteelementtheoryofshell,thewebplateandtheunderplatewhichhavewavesareequivalenttotheorthotropicplates,andthemodificationsaboutelasticityconstantsarealsoofferedonthebasisofequivalentmembranestif

3、fnessprinciple.Then,simplifiedcalculationmodelsaresetup・ByfiniteelementmodelprogramANSYS,thestudyonstaticsanalysisofthisstructureisanalyzedwiththismodeling.Thecalculationresultsaccordwellcomparedwithexperimentaldata・Keyword:ArchedCorrugatedMetalRoof(ACMR),fini

4、teelementtheory,staticsanalysis中图分类号：O6X.2文献标识码：A文章编号：2095-2104(2012)金属拱型波纹屋盖结构是一种新型的金属拱型薄壳结构。它以其跨越能力大、自重小、施工速度快、造型优美等优点近年来在工程上得到了广泛的应用，并且具有极强的生命力和发展前景。然而，由于目前国内外对这种结构的研究并不成熟和完善，没有相应完善的专用技术规程，极大的阻碍了其在我国实际工程中的推广应用。基于这种结构的科研和工程现状，本文从理论出发，利用板壳有限元原理，将金属拱型波纹屋盖中带有波纹

5、的腹板和底板等效成正交各向异性薄壳单元，并按照等效膜面刚度原则推导出薄壳单元的弹性常数的计算公式。建立起简化计算模型，通过有限元计算程序ANSYS对该结构进行稳定性研究。2计算单元的选取虽然波纹板单拱构件在外部荷载作用下很容易发生弯扭失稳,但当多个单拱沿其边缘相互锁边连成一个整体后，将不再有平面外失稳问题，结构的整体性能良好，平面内失稳问题将成为结构承载的主要问题［3］。另外，该结构载实际工程中所承受的荷载类型比较单一，设计时，主要考虑的荷载有：自重，保温荷载，吊顶荷载，雪荷载，积灰荷载，风荷载等。这些荷载沿拱轴线

6、方向的分布可能是不均匀的，但沿结构纵向则是均布的。因此，当仅研究竖向平面内的结构受力性能时，可根据对称原理沿波纹拱纵向长度取出任意几个波纹拱相连的一部分进行竖向平面内的静力分析，其结果应该是相同的。基于上面的原因，同时为了尽量减少单元数目，节约有限元载微机上的计算时间，本文以五个波纹单拱所组成的结构代替完整的金属拱型波纹屋盖结构，同时约束住两端弧边的平面外位移，如图1所示。再对平面内的结构性能进行有限元分析。其四周边界为：两侧直边为较支或固支，两侧弧边为在能够竖向平面内移动的滑动支座。五个单拱A—A图1波纹拱计算单

7、元的取法图图2金属拱型屋盖有限元模型3结构的稳定承载力计算根据本文推导的波纹板等效弹性常数和建立的用于有限元分析的简化计算模型，对金属拱形波纹屋盖结构进行了稳定承载力计算。简化计算模型中结构是由五个波纹单拱组合而成，每个单拱均由腹板、上翼缘板和底板构成。上翼缘板为各向同性板，而腹板和底板则分别为等效的正交各向异性板。众所周知，造成构件产生初始缺陷的原因很多，而初始缺陷对于结构的极限承载力及破坏模态都将产生很大的影响。因此，本文将各类初始缺陷对金属拱型波纹屋盖结构的不利影响主要是通过考虑初始变形来体现，也就是采用一致

8、缺陷模态法确定结构的初始变形形态，并将初始变形的最大偏差定位为L/400,其中L为结构的计算跨度。为了进行比较，计算中采用与文献［4］试验时的结构形式相同。结构的跨度为33m,拱高6.6m,板件厚度为1.25mm,板型为MIC240,计算简图、取值点的位置以及构件横截面示意图参见图3〜图4。本文分别对全跨均布荷载，半跨均布荷载的金属拱型波纹屋盖结构进行稳定承