浙江不銹鋼管廠家雙層異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析研究

 浙江不銹鋼管廠家雙層異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計為工程背景，對其結(jié)構(gòu)選型做了具體論述；以線彈性分析作為基礎(chǔ)，細(xì)致地分析了異形雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性性能．最后得出網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計與研究的幾點結(jié)論．

一、初步設(shè)計與分析

  所謂空間結(jié)構(gòu)，即其形狀呈空間狀，并同時具有三維受力特性．與平面結(jié)構(gòu)相比，空間結(jié)構(gòu)形式的多樣化是其最大的優(yōu)勢。然而，浙江不銹鋼管廠家結(jié)構(gòu)工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，并不是在設(shè)計初始階段就主動去確定結(jié)構(gòu)形式，而往往是依照建筑師所提出的建筑造型而被動地進(jìn)行設(shè)計．某不銹鋼管廠要新建一大門，根據(jù)甲方要求，分為人車兩股路線．其中一側(cè)為車行通道，另一側(cè)為人行通道。根據(jù)這個產(chǎn)品特點，建筑師設(shè)計了兩根大的不銹鋼管相接，作為該大門主體結(jié)構(gòu)的外形．其中一根不銹鋼管水平放置，另一根不銹鋼管傾斜向上，并把不銹鋼管端部斜切。結(jié)構(gòu)工程師通過對其結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行分析，研究了結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件與形式之間的關(guān)系，包括對形狀、材料、荷載與結(jié)構(gòu)體系4大要素的研究，最終確定采用雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形式，從而達(dá)到建筑師的構(gòu)想。

  在進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步設(shè)計時，將螺栓球節(jié)點作為節(jié)點設(shè)計，假定桿件的連接方式為鉸接，直接采用鉸接空間桿元，忽略結(jié)構(gòu)幾何非線性的影響，按照空間桁架位移法進(jìn)行計算。由于采用非抗震設(shè)計，結(jié)構(gòu)及屋面自重、雪荷載、風(fēng)荷載及檢修荷載的作用作為主要考慮對象．采用內(nèi)力和位移雙控原則，使用優(yōu)化原理，確定桿件和節(jié)點的尺寸、型號。

二、幾何非線性分析方法

  幾何分析方法從廣義講分為兩種，一種是線性分析方法，一種是非線性分析方法。由于浙江不銹鋼管廠家異形雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與普通的雙層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有明顯的結(jié)構(gòu)差異，因此對于本結(jié)構(gòu)，需要以線彈性分析為基礎(chǔ)，進(jìn)行彈性大位移的幾何非線性分析。

  根據(jù)桿單元所固有的幾何性質(zhì)及其受力特點，在整體坐標(biāo)下空間桿單元的切線剛度矩陣可以用狀態(tài)平衡方程直接推導(dǎo)出來。建立非線性方程組后，需要應(yīng)用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行編程求解．具體求解方法有：增量法、迭代法、增量迭代法、初應(yīng)變法、初應(yīng)力法等．筆者采用增量迭代法，即先采用荷載增量對非線性方程組進(jìn)行線性化處理，然后在每個增量步中，進(jìn)一步線性化處理增量荷載。

三、對比分析

 浙江不銹鋼管廠家對結(jié)構(gòu)采用桿單元模型進(jìn)行非線性分析，并應(yīng)用增量迭代法進(jìn)行求解，最后與空間桁架位移法進(jìn)行的有限元分析結(jié)果做了變形對比．由網(wǎng)殼頂部脊線的變形圖可知：同線彈性分析結(jié)果相比，考慮幾何非線性分析的最大撓度變形結(jié)果大了5.4%．另外，桿件內(nèi)力最大增幅在10%以內(nèi)。因此，幾何非線性的影響對該雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)而言是比較小的。

四、基礎(chǔ)設(shè)計

 浙江不銹鋼管廠家根據(jù)上述雙層異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)上部桿件的初步設(shè)計，對該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計．該網(wǎng)殼下部由4點支撐，每個節(jié)點均提供ｘ向、ｙ向和ｚ向3個方向的約束，同側(cè)的2個節(jié)點支承于同一個鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)上，根據(jù)計算分析得到的最大基底反力設(shè)計兩側(cè)的獨立基礎(chǔ)，基底彎矩利用基礎(chǔ)及回填土的自重來抵抗。該雙層異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最終基礎(chǔ)設(shè)計如圖所示。

五、結(jié)論

 1. 浙江不銹鋼管廠家對于常規(guī)形狀和尺寸的雙層柱面網(wǎng)殼和跨度較小的異形雙層柱面網(wǎng)殼而言，可以近似忽略幾何非線性的影響．

 2. 浙江不銹鋼管廠家采用的非線性桿單元模型具有廣泛的適用性，常用于非常規(guī)網(wǎng)架和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計中進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化處理．

 3. 分析結(jié)果表明，浙江不銹鋼管廠家大門雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理不會因彈性失穩(wěn)引起。