箱型截面肋环型单层网壳结构稳定性分析

2024-03-01贾妙文安徽建工检测科技集团有限公司安徽合肥230031

安徽建筑 2024年2期

关键词：网壳屈曲抗震

贾妙文（安徽建工检测科技集团有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

随着现代结构设计方法和材料的不断改进，大跨度空间构件在现实建筑工程中的应用越来越广泛，例如体育场馆、火车站、展览馆、飞机场和大型商业的穹顶等[1]。

单层网壳构造作为一个曲面网格构造，具有形式自由、轻盈美观、结构简单、刚性好、节省建筑材料、杆件简单、制作安装简便等优势，在大跨度空间构造中应用广泛[2]，成为大跨度建筑的主流形式。

1 项目概况

本工程位于上海某地区，靠近长江。屋顶设计成标准的椭球形，东西长157m，南北宽87m，矢高23m。为了建筑的美观度，采取了箱型截面肋环式网壳结构，在网壳周围开孔处设有三道箱形截面拱梁，并在上边的两道拱梁上挑出钢结构雨棚以满足建筑造型的要求。为减小网壳径向和环向构造的直径、减轻屋盖自重、节约用钢量和降低投资，在屋盖内侧提高8 根混凝土框架柱用作网壳的支点。每根支柱上突出若干个树杈形的钢管构件与上方单层网壳相连，并进行屋盖杆件布局的调节，以达到更好的组织强度和耐久性，使建筑物更加稳固耐用。减少8 个骨架柱顶支座承受的水平力，使其大部分承受竖向荷载，利于混凝土框架的结构受力，在径向杆件布局改变处增设屋面支撑接口，以确保力的有效传递，提升房屋整体性能[3]。

由于本工程位于长江边，风速会比陆上测站风速大1～2 级。而钢屋盖对风荷载非常敏感。因此，为了确保安全，基本风压按100 年重现期考虑，将基本风压提高至0.60kN/m2，地面粗糙度类别为A类。

2 结构建模及结构计算分析

2.1 结构建模

本项目利用Midas/Gen有限元分析软件完成，利用箱型直径单层肋环型网壳结构系统，在网壳周围开孔处设有箱形直径拱梁，增强屋盖的稳定性。拱梁之间用2.5m 的联络梁相互连接，并在上边的两道拱梁上挑出放射状的钢结构雨棚，具体模型如图1所示。

图1 结构模型图

2.2 结构计算分析

通过有限元软件先建立三维模型，主要构件包括环向构件、径向构件、拱及其联系构件、雨篷构件、屋面支柱、屋帽构件和支承构件，均使用Q355C 材料。其中径向杆、环向杆、支承杆及边缘增强拱等均使用梁单元组成，并使用虚面单元来增加荷载，以确保结构的稳定性。在分析中假设上部钢构与中间8 根混凝土结构柱之间采取铰连结，径向杆件与基础之间采取刚接连接，屋面支撑杆件与建筑其他杆件之间也采取铰合连结。表1 为框架的前40 个模态的自振频率和周期。

表1 结构自振频率和周期

分析可知，前4 阶模态主要表现为雨篷构件的竖向震动和扭曲震动；第5阶模态是房屋结构水平Y 方向的震动；第6阶模态是竖向震动的相对称性；第7阶模态是竖向震动的相反称性；第8 阶模态是雨篷的扭曲震动；第9 阶模态则是下侧雨篷的反对称震动；第10 阶模态是房屋构件竖向反对称震动，且与y 方向一致。在11 阶和13 阶中，屋面构件的竖向均匀震动模式分别表现为y 方向的均匀性、±45°方向的均匀性、X 方向的反对称性以及上半跨局部构件的局部竖向震动模式，而在下半跨局部构件中，表现为x方向的均匀性。

当这些震动模式组合在一起时，就形成了第14 阶和第15 阶的震动模式。在第17 到40 阶模态中，存在多处局部竖向震动[4]。

3 竖向荷载效应分析

结构承受的荷载主要是竖向的，包括永久性的和可变的。通过“1.0 恒”“1.0 活”“1.0 恒+1.0 活”组合工况下的位移分析，发现在恒载作用下，主体结构的最大挠度为122mm，而在活载作用下最大挠度为18mm，在“1.0 恒+1.0 活”荷载组合的最大挠度为141mm。可见，结构的竖向变形以恒载作用下的变形为主，活载作用下引起的变形较小。

[vt]=141mm＜L/400=87000/400=217.5mm，满足要求；[vq]=18mm＜L/500=87000/500=174mm，满足要求。在恒荷载和活荷载的共同作用下，单层网壳构件的内力以轴力为主，箱形拱梁的轴力和弯矩均很大。

4 风荷载效应分析

由于该结构在长、短轴两个方向上均为对称，本文采用对称分析的原则，仅考虑在0°、45°和90°方向风荷载作用下结构的反应。如表2 所示，在风荷载作用下单层网壳构件的内力以风吸力作用下的反应为主，但是远小于结构在恒荷载作用下的反应。

表2 不同风荷载角度作用下的内力

5 地震作用分析

地震反应谱选自国家标准《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[5]规定的反应谱。以下是抗震设计中采用的参数：抗震设防烈度为7 度，建筑抗震设防类别为乙类，场地类型为Ⅳ类，场地特征周期为0.9s，设计地震分组为第一组，水平地震影响系数最大值为0.08，阻尼比ζ为0.02。

对结构体系进行水平的多遇地震反应谱分析，发现X、Y 和竖向地震相互作用对结构体系产生了显著影响。为了更好地评估结构在多遇地震下的位移和承载力，采用CQC 方法组合了不同振型的峰值反应，以满足“小震不坏”的标准，并且能够更准确地预测结构的抗震性能，具体如表3所示。

表3 三向地震内力

《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）中明确规定，当房屋受到抗震影响时，可能会出现损伤，但是可以通过正常维修或不需要维修的方式继续使用，这就是“中震可修”。考虑建筑物的重要程度，保证其在中震时仍能具有弹力，对其抗震设防要求进行了加强，以便满足“中震弹性”的需要。为此，进行了反应谱分析，以保证建筑材料在地震作用下能够得到有效保护，减少经济损失[6]。

在抗震效应下，为了满足承载力设计要求，不考虑荷载分项系数、风荷载和温度效应，而是采用标准值来计算材料的强度。此外，还将小震反应谱扩大2.8125 倍，以模拟中震下建筑材料的应力情况。其中，在7 度设防烈度地震作用下的位移和强度验算的指标如下。

中震X-地震作用下：

1.0DL+0.5LL+2.8125EQx。

中震Y-地震作用下：

1.0DL+0.5LL+2.8125EQy。

中震Z-地震作用下：

1.0DL+0.5LL+2.8125EQz。

在设防烈度地震作用下，构件的应力比均小于1.0。这说明在设防烈度地震作用下，所有构件都处于弹性阶段，没有发生塑性变形破坏。建筑物能够满足“中震弹性”的抗震设防要求。

6 整体稳定性分析

6.1 线性屈曲分析

屈曲因子相对于1.0D+1.0L，屈曲模态及屈曲因子见图2。

图2 三种模态下的屈曲因子

从以上分析结果可知，第1 阶模态主要为雨篷结构的反对称扭转屈曲；第4 阶模态主要为雨篷结构在短轴方向的对称屈曲；第5 阶模态为屋面结构在长轴方向的对称或反对称屈曲。

6.2 非线性稳定性分析

网壳为准柔性的超静定结构，具有强烈的几何结构非线性特征，其中初始几何结构缺陷对组织的稳定性和强度至关重要。因此，本结构的非线性稳定性分析应考虑安装偏差、构造初期曲线、构造对节点的偏心等因素，并以构造最低阶特征值屈曲模式当作最初始几何结构缺陷的分配模态。最佳测算值取构造跨度的1/300，以确保构造的稳定性和承载力[7]。

基于非线性有限元分析，本构件可以清晰地描述负荷-移动整体过程（包括考虑几何非线性不确定性、初始阶段几何形状缺陷、荷载分配方法等），从而可以准确地评价构件的平面稳定性、刚度和强度。

结构在工况“1.0 恒载+1.0 全跨活载”作用下考虑结构初始缺陷的荷载-位移全过程分析如图3所示。