张盛林 张 帅

（山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学） 山东 青岛 266590）

基于ANSYS的椭圆形双层网壳结构的静力特性分析

张盛林 张 帅

（山东省土木工程防灾减灾重点实验室（山东科技大学） 山东 青岛 266590）

网壳结构作为一种依照壳体形式的空间杆系结构，它既有杆系结构的性质，又具有空间壳体的性质。本文主要是应用ANSYS对网壳结构进行静力特性分析，本文主要介绍了模型的建立，荷载约束的施加、求解结果以及对求解结果分析得到的结论。

网壳结构；静力特性分析；ANSYS

网壳结构具有优良的特征，它是具有杆系结构和薄壳结构的特征，杆件的形式相对来说较为简单，并且杆件的受力形式也是很合理的，由于网壳结构具有刚度大变形较小的的特点；可以使用在工厂预制的小构件拼装一个大跨度的网壳结构，工厂预制机械化程度高，构件的安全性可靠度较高，批量生产成本低的，并且规范化的构件之间相互组装施工的步骤简便；网壳结构的另一个重要特点是它具有丰富的外形，可以按照设计者的要求设计成平面的或者是曲面的形状。网壳结构作为大跨度大空间结构的优秀代表，由于具有众多的优点，近些年来得到了广泛的应用和发展。主要球面网壳结构形式有(1) 肋环型球面网壳，其整体性较差适用于中小型网壳结构。（2）施威德勒型球面网壳，其整体性较好适用于大中型网壳。（3）联方型球面网壳，其受力性能好适用于大中型网壳。（4）凯威特型球面网壳，其网格大小均匀，内力分布均匀，适用于大中型网壳。（5）短程线型球面网壳，适用于网格大小均匀，受力性能好，适用于矢高比较大或超半球形网壳。

1 结构概况

根据图1所示的椭圆型双层网壳结构，它的长轴长度是42m，短轴的长度是30m，矢高为6m，网格数环向20，径向为4，网架的厚度是1.5m，其屋面上弦承受1000N/m2的均布荷载，网壳周围的固定约束在刚度很大的混凝土柱子上，可视为三向线位移固定约束支座，网壳结构材料为无缝钢管，其弹性模量为 2.1× 1011N/m2，泊松比为0.3。为简化建模过程，所有上弦杆都使用的下弦杆都使用腹杆都使用的

图1 椭圆型双层网壳结构示意图

图2 Nodes节点编号

图3 单元实常数编号

图4 加载结果

2 模型的建立

采用坐标节点输入法（节点坐标数值由AutoCAD软件提供）的建模方法建立该实例的三维模型，选择LINK8单元模拟网壳杆单元，LINK8单元是一种三维单元，在单元轴向方向是拉压单元，而且单元上的每一个节点都具有三个自由度，就是沿着三个坐标轴的方向平移LINK8单元不承受任何的弯矩。如图2所示

通过节点创建单元，并赋予其相应的单元实常数，应用实常数3建立上弦杆单元，应用实常数2，1，分别建立下弦杆单元和腹杆单元。如图3所示。

由于网壳周边是固定约束在刚度很大的混凝土柱子上，所以可以看作是三向线位移固定约束支座，由于是三向线位移固定约束支座，所以不能允许结构边界有在X、Y、Z三个方向的线位移存在，分别将20620N、15860N和30040N的方向向下的集中荷载施加在上弦节点上。如图4所示加载结果。

4 结果分析

4.1 节点位移

位移是判断结构受力状况是否良好的标准之一，如果结构的刚度较小，位移较大，就很难满足结构的正常使用状态。如果结构结构刚度大，其结构整体的位移变小，在一定的情况下结构的受力性能就会更好一些，在施加荷载的作用下的节点竖向位移如图5所示。

图5 节点竖向位移图

图6 网壳结构杆件轴力图

从节点位移图上我们可以看出，对称结构上承受对称的荷载，其结构的变形也是对称形式的，此种工况下的变形形式与理论的变形形式一致，并且在此种荷载工况下的发生最大位移的节点位于双层网壳结构下弦的中心区域，其最大竖向位移发生在节点5和节点86位置处最大位移是5.209mm。

4.2 轴力

在承载力极限状态下结构是否被破坏取决于双层网壳杆件的轴应力与抗力的关系，网壳杆件的应力水平直接影响到杆件的强度是否满足要求，因此网壳结构杆件的应力大小是衡量结构设计是否合理的重要因素之一。因此我们在设计的过程中，为了使拉压应力不超出杆件的抗力，就不应该出现个别杆件应力过大的状况，这种状况一旦出现，结构的使用安全就很难保证。同时为了充分发挥材料的强度，也不能出现杆件应力过小的状况，使得杆件的轴向应力过小而浪费了钢材不经济。网壳轴力图如图6所示：

通过对平面网壳结构的静力分析，对网壳结构收到静力作用下的应力应变有了深刻的理解和认识，为后续的结构动力分析提供了参考基础。为后继工作计算模型选择，以及单元类型选择奠定了基础，特别在后继的动力分析过程中，模型结构的静力特性及刚度特性将对分析产生重要影响。

[1]沈世钊，陈听网壳结构稳定性.北京科学出版社.1999:1-245

[2]沈祖炎，陈扬骥.网架与网壳上海，同济大学出版社.1997:36-36

[3]李忠学，沈祖炎等.钢网壳模型的动力稳定性振动台试验研究.L.T实验力学.

[4]ZiCao and YigangZhang. A study on the seismic response of lattice shells.[J]International Journal of Space Structures.2000(3&4):243-248

[5]JGJ7-2010空间网格结构技术规程[S]

Static characteristic analysis of elliptical double layer reticulated shell structure based on ANSYS

ZHANG Sheng-lin，ZHANG Shuai
(Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation (Shandong University of Science and Technology), Qingdao, Shandong 266590, China)

Network shell structure is a flat grid with similar spatial truss structures, arranged according to the shell structure space frame, which combines properties of the rod and the housing department. This paper is the application of ANSYS for reticulated shells for static characteristic analysis, this paper introduces the modeling and load constraints applied to solve the results and analysis of the results obtained by solving the conclusions.

Reticulated Shell；Static Behavior Analysis；ANSYS

?

张盛林 17806227714 地址：山东省青岛市黄岛区前湾港路579号山东科技大学 邮编：266590

G322

B

1007-6344（2016）03-0254-01

3 加载求解