文 章編號(hào) : 1005-0930( 2018) 01-0047-013 中圖分類號(hào) : S26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 : Adoi: 10. 16058/j issn1005-0930. 2018. 01. 005收 稿日期 : 2016-04-08; 修訂日期 : 2016-11-21基金項(xiàng)目 : 黑龍江省博士后基金項(xiàng)目 ( LBH-Z14095) ; 中國(guó)博士后基金項(xiàng)目 ( 2015M571422) ; 國(guó)家自然科學(xué)基金青年科 學(xué)基金項(xiàng)目 ( 51109037) ; 黑龍江省博士后科研啟動(dòng)基金 ( LBH-Q17025)作 者簡(jiǎn)介 : 張中昊 ( 1980) ， 男 ， 博 士 ， 副教授 ， 碩士生導(dǎo)師 E-mail: zhangzhonghao1980163 com通信作者 : 范 峰 ( 1971) ， 男 ， 博 士 ， 教授 ， 博士生導(dǎo)師 E-mail: fanf hit edu cn拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼的穩(wěn)定性 能分析張 中昊1， 2， 范 峰2， 付 強(qiáng)1， 汪 可欣1( 1 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水 利與建筑學(xué)院 ， 黑龍江 哈爾濱 150030; 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 ， 黑龍江 哈爾濱150090)摘 要 : 雙向網(wǎng)格型單層柱面網(wǎng)殼透光好 ， 耗鋼量低 ， 適用于溫室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了進(jìn)一步拓寬網(wǎng)殼跨度 ， 通過(guò)布置拉桿的方式確保網(wǎng)殼具有足夠的剛度 ， 開(kāi)發(fā)了大跨度拉桿式單層柱面溫室網(wǎng)殼體系 本文以大規(guī)模參數(shù)分析作為研究手段 ， 利用通用有限元程序 ANSYS 以及自編的前后處理程序 ， 針對(duì)拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼開(kāi)展800 余例非線性全過(guò)程分析 ， 通過(guò)結(jié)構(gòu)極限承載力論證布桿方式的有效性 ， 考察了屈曲模態(tài) 、塑性發(fā)展分布等特征響應(yīng) ， 總結(jié)長(zhǎng)寬比 、矢跨比 、拉桿預(yù)應(yīng)力 、初始幾何缺陷 、荷載不對(duì)稱分布等因素對(duì)溫室網(wǎng)殼彈塑性穩(wěn)定承載力的影響規(guī)律 為使溫室網(wǎng)殼安全可靠度可以得到有效的保證 ， 做到充分考慮初始幾何缺陷對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響 ， 文中采用 “3”原則對(duì)塑性折減系數(shù)進(jìn)行重新核定 ， 取值范圍為 0. 60 0. 88關(guān) 鍵詞 : 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼 ; 穩(wěn)定性能 ; 極限承載力 ; 特征值缺陷模態(tài)法 ; 屈曲模態(tài) ; 結(jié)構(gòu)塑性隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 ， 溫室作為一種 特殊的建筑 ， 在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下 ， 更加追求跨度大 、輕量及美觀 由于單層網(wǎng)殼內(nèi)部無(wú)柱空間 ， 簡(jiǎn)潔 、跨度大等優(yōu)點(diǎn) ， 越來(lái)越受到建筑師的關(guān)注而廣泛應(yīng)用于溫室建筑中 1-2 中國(guó)溫室結(jié)構(gòu)普遍采用框架形式 的輕鋼結(jié)構(gòu) ， 如果采用傳統(tǒng)的方法計(jì)算大跨度輕鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性易導(dǎo)致用鋼量過(guò)大 ， 并不經(jīng)濟(jì)實(shí)用 3-4雙向網(wǎng)格型單層柱面網(wǎng)殼低耗材 、透 光好 、適用于溫室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5 從 以往的研究來(lái)看 ， 學(xué)者們通常在網(wǎng)格對(duì)角處布置拉桿來(lái)增強(qiáng)其面內(nèi)剛度 6 但是單層柱面網(wǎng)殼面外剛 度也比較低 ， 隨著跨度的增大 ， 如何控制網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 在國(guó)內(nèi)有關(guān)網(wǎng)殼面外布置拉桿的設(shè)計(jì)方案很少見(jiàn) ， 并且目前缺乏拉桿式單層柱面網(wǎng)殼的工程實(shí)例 鑒于考慮如何提高網(wǎng)殼面外剛度 ， 本文在網(wǎng)殼面外不相鄰節(jié)點(diǎn)間布置拉桿 ， 形成一第 26卷 1 期2018年 2 月應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)JOUNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEEINGVol26， No1February 2018種新型拉桿式單層 柱面網(wǎng)殼體系 ， 由于該結(jié)構(gòu)透光好 ， 輕質(zhì) 、高強(qiáng) ， 因此適用于溫室建筑設(shè)計(jì) 中國(guó)自 20 世紀(jì) 80 年代中期以來(lái) ， 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速 ， 其穩(wěn)定性問(wèn)題成為研究熱點(diǎn)之一 7 近 年來(lái) ， 國(guó)內(nèi)外學(xué)者不僅在有關(guān)單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性能方面 8-11， 而 且通過(guò)布置索桿在單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性能的影響研究方面也取得了豐碩的成果 12-15 文 獻(xiàn) 8-9 以單層柱面網(wǎng)殼為研究對(duì)象 ， 考察了初始幾何缺陷 、荷載不對(duì)稱分布等因素對(duì)網(wǎng)殼極限承載力的影響規(guī)律 文獻(xiàn) 10 系統(tǒng)的研究了半剛性節(jié)點(diǎn)單層球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能并提出了其適用的分析方法 文獻(xiàn) 11 通過(guò)不同的缺陷模態(tài)分析方法 ， 合理 、安全地評(píng)估了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能 文獻(xiàn) 12 提取了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)與穩(wěn)定性系數(shù) ， 分析了不同布索形式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響 文獻(xiàn) 13-14 考察了索桿預(yù)應(yīng)力的大小 、預(yù)應(yīng)力分布等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響進(jìn)行了分析 文獻(xiàn) 15 針對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工張拉特點(diǎn)提出弦支穹頂結(jié)構(gòu)的正向施工模擬計(jì)算法 ， 方便 、精確地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)所要求的預(yù)應(yīng)力狀態(tài) 本文針對(duì)雙向網(wǎng)格柱面溫室網(wǎng)殼 ， 為提高整體剛度考慮了在網(wǎng)格對(duì)角處及網(wǎng)殼面外布置拉桿 ， 開(kāi)發(fā)一種新型拉桿式單層柱面溫室網(wǎng)殼 ， 在長(zhǎng)寬比為 2 時(shí) ， 考慮設(shè)加勁肋來(lái)提高網(wǎng)殼整體剛度 在此基礎(chǔ)上 ， 利用有限元軟件 ANSYS 開(kāi)展系統(tǒng)的彈性和彈塑性全過(guò)程分析 ， 通過(guò)考察屈曲模態(tài) 、塑性發(fā)展分布及拉桿預(yù)應(yīng)力 、長(zhǎng)寬比 、矢跨比 、初始幾何缺陷和荷載不對(duì)稱分布等因素對(duì)極限承載力的影響 在此基礎(chǔ)上 ， 采用 “3”原則 ， 對(duì)塑性折減系數(shù)進(jìn)行重新核定 ， 為開(kāi)展更大跨度溫室網(wǎng)殼提供技術(shù)保障 1 參 數(shù)分析方案11 結(jié) 構(gòu)模型圖 1 給出了拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼的幾何構(gòu)造 當(dāng)網(wǎng)殼長(zhǎng)寬比 L/b =2 時(shí) ， 延長(zhǎng)度方向一倍寬范圍內(nèi)加設(shè)一道加勁肋 ， 來(lái)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度 ， 加勁肋形式為車輪狀拉桿 如圖 2 所示 ， 網(wǎng)殼采用兩縱邊支承及四邊支承兩種支承形式 ， 網(wǎng)殼兩端為約束邊時(shí) ， 不施加x 方向約束 按常規(guī)設(shè)計(jì)桿件采用圓管截面 146 × 8. 0( 單位 : mm) ， 拉 桿截面均為 20( 單位 : mm) ， 加勁肋處豎桿長(zhǎng)度取矢高的 1/4， 采 用 20 梁元 溫室跨度 b 均取 25m， 矢跨比 f/b =1/4、1/5、1/6， 長(zhǎng)寬比 L/b =1、2圖 1 柱面網(wǎng)殼幾何構(gòu)造 ( L/b =1)Fig1 Categories of single-layer cylindrical shell of greenhouse84應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào) Vol26圖 2 柱面溫室網(wǎng)殼及其支承形式 ( L/b =2)Fig2 Single-layer cylindrical shell with stiffening rib12 分 析方法本文采用通用有限元軟件 ANSYS， 結(jié)合自編的前后處理程序 ， 構(gòu)建了結(jié)構(gòu)荷載 -位移全過(guò)程分析的標(biāo)準(zhǔn)化流程 分析中 ， 節(jié)點(diǎn)假設(shè)為剛接 ， 桿件的模擬采用軟件自定義的Beam189 梁元 ， 應(yīng)用亨奇 -伊柳辛理論 ， 通過(guò)軸向塑性應(yīng)變判定桿件屈服 16， 實(shí) 時(shí)輸出桿件截面的塑性發(fā)展?fàn)顩r ， 加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部的塑性發(fā)展的判別方程為epx=3i2i12( )GSx( 1)式 中 i、i、Sx分別為應(yīng)力強(qiáng)度 、應(yīng)變強(qiáng)度和應(yīng)力分量 ; G 為剪切彈性模量 桿 件分 8 個(gè)截面 ， 每個(gè)截面有 4 個(gè)積分點(diǎn) ， 共 32 個(gè)積點(diǎn) ， 1 32 表示截面進(jìn)入塑性積分點(diǎn)個(gè)數(shù) ， 32 表示全截面進(jìn)入塑性 ， 以此類推 拉桿采用 link180 桿單元 ， 具有塑性 、大變形和大應(yīng)變等功能 ， 在非線性分析中僅考慮受拉時(shí)具有剛度 結(jié)構(gòu)的非線性有限元分析進(jìn)行平衡路徑跟蹤時(shí) ， 采用線性逼近方法 ( Modified Newton-aphson Method) ANSYS 采用的球面弧長(zhǎng)技術(shù) 17-18是在每個(gè)給定的若干個(gè)加 載增量步內(nèi) ， 根據(jù)給定的荷載增量或給定的位移增量 ， 經(jīng)過(guò)一系列迭代計(jì)算 ， 追蹤結(jié)構(gòu)真實(shí)的加載路徑 ， 最終獲得結(jié)構(gòu)的極限荷載 鑒于特征值缺陷模態(tài)法具有一次計(jì)算優(yōu)勢(shì) 19， 本文在大規(guī)模參數(shù)分 析中均利用特征值缺陷模態(tài)法將結(jié)構(gòu)的最低階特征屈曲模態(tài)作為初始幾何缺陷的最不利分布模式 ， 缺陷的最大值 r 在基本分析中取網(wǎng)殼波寬的 1/250、1/300、1/500、1/750 或 1/1 000， 對(duì)于部分算例分析了更多大小不同缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)彈塑性穩(wěn)定性能的影響 13 荷載分布形式考慮滿跨均布和半跨均布兩種荷載分布形式 其中 ， 恒荷 g 滿跨分布 ， 活荷載 p 可滿跨均勻分布也可半跨均布 圖 3 給出了溫室結(jié)構(gòu)的活荷載不對(duì)稱分析形式 ， 考慮了活荷載p 與恒荷載 g 的 4 種比例 : p/g =0、1/4、1/2、3/4圖 3 荷載不對(duì)稱分布Fig3 Unsymmetrical distribution of loads94No1張 中昊等 : 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能分析2 屈曲模態(tài)及塑性發(fā)展分布21 屈 曲模態(tài)屈曲模態(tài)代表結(jié)構(gòu)在臨界點(diǎn)處的位移發(fā)展趨勢(shì) ， 能夠預(yù)測(cè)可能發(fā)生的失穩(wěn)形式 本研究通過(guò)對(duì)屈曲模態(tài)的分析 ， 判定結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié) ， 了解初始幾何缺陷對(duì)網(wǎng)殼的影響機(jī)理 圖 4 給出了兩種支承條件下溫室網(wǎng)殼的屈曲模態(tài) ， 可以看出 ， 長(zhǎng)寬比 L/b =1 時(shí) ， 網(wǎng)殼呈 3個(gè)半波的對(duì)稱變形 ， 跨中凸起兩側(cè)凹陷 ， 說(shuō)明網(wǎng)殼兩側(cè)剛度較弱 ; 長(zhǎng)寬比 L/b =2 時(shí) ， 四邊支承網(wǎng)殼受加勁肋的影響 ， 在加勁肋兩側(cè)呈對(duì)稱變形 長(zhǎng)寬比較大時(shí) ， 兩縱邊支承的柱面網(wǎng)殼受力性能類似于兩鉸拱結(jié)構(gòu) ， 在對(duì)稱荷載作用下易發(fā)生分枝失穩(wěn) ， 殼面在加勁肋兩側(cè)呈逆對(duì)稱變形 圖 4 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼屈曲模態(tài) ( f/b =1/5)Fig4 Buckling mode of cylindrical shells22 塑性發(fā)展全過(guò)程分析結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展分布更能直接反應(yīng)出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布 ， 當(dāng)外荷載達(dá)到臨界荷載之前 ， 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)部分桿件開(kāi)始進(jìn)入塑性 ， 伴 隨著幾何變形的增大 ， 結(jié)構(gòu)剛度逐漸減弱 通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)和塑性發(fā)展分布進(jìn)行分析 ， 更能清楚地闡述結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)特征和失穩(wěn)機(jī)理 圖 5 柱面網(wǎng)殼塑性發(fā)展分布狀況 ( f/b =1/4)Fig5 Plasticity distribution of cylindrical shell at different time圖 5、圖 6 分別給出了不同長(zhǎng)寬比下四邊支承溫 室網(wǎng)殼在進(jìn)入塑性時(shí)刻 、臨界點(diǎn)時(shí)刻05應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào) Vol26圖 6 設(shè)加勁肋柱面網(wǎng)殼塑性發(fā)展分布狀況 ( f/b =1/4， p/g =0)Fig6 Plasticity distribution of cylindrical shell with stiffening rib at different time和失穩(wěn)后某一時(shí)刻的塑性發(fā)展分布圖及對(duì)應(yīng)臨界點(diǎn)時(shí)刻的失穩(wěn)模態(tài) 在對(duì)稱荷載作用下 ，網(wǎng) 殼呈現(xiàn) 3 個(gè)半波的對(duì)稱變形趨勢(shì) ， 跨中部位發(fā)生較大凹陷 ， 表明網(wǎng)殼中部剛度較弱 設(shè)加勁肋后使網(wǎng)殼中心剛度增大 ， 網(wǎng)殼失穩(wěn)模態(tài)表現(xiàn)為殼面兩側(cè)發(fā)生對(duì)稱凹陷 ， 可以看出加勁肋作用體現(xiàn)的非常明顯 非對(duì)稱荷載作用下殼面的凹陷略偏于荷載較大的一側(cè) 四邊支承柱面網(wǎng)殼桿件進(jìn)入塑性主要表現(xiàn)為 ， 網(wǎng)殼中心斷面靠近兩側(cè)支承位置的橫向桿件開(kāi)始進(jìn)入塑性 ， 并伴隨著網(wǎng)殼中部其他橫向桿件逐漸進(jìn)入塑性 ， 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后 ， 網(wǎng)殼中部橫向桿件易進(jìn)入塑性 當(dāng)長(zhǎng)寬比 L/b =2 時(shí) ， 由于網(wǎng)殼中心部位設(shè)加勁肋使其中心斷面剛度增大 ，表現(xiàn)為加勁肋前后對(duì)稱部位橫向桿件開(kāi)始進(jìn)入塑性 ， 當(dāng)達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)刻 ， 網(wǎng)殼中部橫向桿件進(jìn)入塑性 ， 結(jié)構(gòu)失穩(wěn)后 ， 網(wǎng)殼中心及兩側(cè)對(duì)稱方向上的橫向桿件進(jìn)入塑性 圖 7 柱面網(wǎng)殼拉桿在臨界點(diǎn)時(shí)刻的塑性分布 ( f/b =1/4)Fig7 Plasticity distribution of tension members at critical point兩 縱邊支承時(shí) ， 由于網(wǎng)殼兩端未被約束 ， 失穩(wěn)后兩端橫向桿件易進(jìn)入塑性 ， 不對(duì)稱荷載作用下結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展呈不對(duì)稱分布 和其它網(wǎng)殼不同 ， 拉桿式溫室網(wǎng)殼在到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí)刻 ， 并無(wú)全截面進(jìn)入塑性現(xiàn)象 ， 這是因?yàn)闆](méi)有局部區(qū)域發(fā)展過(guò)于集中而提前喪失承載力 20圖 7 給出了四邊支承柱面網(wǎng)殼的拉桿在臨界點(diǎn)時(shí)刻的塑性分布 可 以看出 ， 當(dāng)長(zhǎng)寬比L/b =1 時(shí) ， 網(wǎng)殼跨中部位兩側(cè)的拉桿易進(jìn)入塑性 ， 非對(duì)稱荷載作用下 ， 位于荷載較大一側(cè)拉桿易進(jìn)入塑性 當(dāng)長(zhǎng)寬比 L/b =2 時(shí) ， 加勁肋邊緣處兩拉桿易進(jìn)入塑性 ， 因此加勁肋設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中至關(guān)重要 15No1張 中昊等 : 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能分析3 各種參數(shù)對(duì)極限承載力的影響本 文共對(duì) 800 余例柱面溫室網(wǎng)殼進(jìn)行全過(guò)程參數(shù)分析 ， 研究各種參數(shù)對(duì)網(wǎng)殼極限承載力的影響規(guī)律 對(duì)每例結(jié)構(gòu)取第一個(gè)臨界點(diǎn)處極限荷載作為結(jié)構(gòu)的極限承載力 31 加勁肋對(duì)網(wǎng)殼極限承載力的影響以往的研究表明 ， 柱面網(wǎng)殼在布置加勁肋后 ， 體系的整體剛度和殼面的保形能力將有所增強(qiáng) ， 網(wǎng)殼極限承載力相應(yīng)提高 21 本 研究在 L/b =2 時(shí) ， 沿網(wǎng)殼中心部位設(shè)加勁肋來(lái)提高網(wǎng)殼整體剛度和穩(wěn)定性 ， 考察加勁肋對(duì)網(wǎng)殼極限承載力的影響 圖 8 給出了四邊支承溫室網(wǎng)殼在設(shè)加勁肋前后的荷載 -位移全過(guò)程曲線 ， 可以看出 ， 設(shè)加勁肋后結(jié)構(gòu)整體剛度增強(qiáng) ， 結(jié)構(gòu)極限承載力相應(yīng)提高 表 1 給出了溫室網(wǎng)殼設(shè)加勁肋前后的極限承載力 ， 數(shù)據(jù)表明 ， 四邊支承網(wǎng)殼設(shè)加勁肋后極限承載力增加幅度更為顯著 ; 矢跨比俞小 ， 極限承載力增加俞明顯 ， 最大可提高 26%圖 8 設(shè)加勁肋前后的荷載 -位移全過(guò)程曲線Fig8 The load-deflection curves before and after adding stiffening ribs表 1 網(wǎng)殼極限承載力Table 1 Critical load of cylindrical shell kN/m2f/b兩 縱邊支承 四邊支承1/4 1/5 1/6 1/4 1/5 1/6無(wú) 加勁肋 132 157 167 139 163 171有 加勁肋 155 181 189 174 199 20532 拉桿預(yù)應(yīng)力的影響以往的研究表明 ， 通過(guò)對(duì)拉桿施加預(yù)應(yīng)力可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度 ， 提高了網(wǎng)殼極限承載力 22 本文通過(guò)施加負(fù)溫度的 方法對(duì)拉桿施加一定范圍的預(yù)應(yīng)力 ， 考察預(yù)應(yīng)力對(duì)溫室網(wǎng)殼極限承載力的影響 ， 預(yù)應(yīng)力取值為 0 40kN 鋼材線膨脹系數(shù)取 1. 2 ×105， 拉 桿預(yù)應(yīng)力Nl 和施加溫度荷載 T 的關(guān)系式為Nl = EA·L·T ( 2)式 中 : EA 為拉桿的抗拉剛度 ; L為 線膨脹系數(shù) ; T 為溫度增量 圖 9 給出了不同長(zhǎng)寬比網(wǎng)殼在兩種支承條件下的荷載 -位移全過(guò)程曲線 從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看 ， 施加拉桿預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)了網(wǎng)殼剛度 ， 相應(yīng)臨界點(diǎn)時(shí)刻的位移不同程度減小 隨著矢跨25應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào) Vol26比 的減小 ， 拉桿預(yù)應(yīng)力對(duì)提高結(jié)構(gòu)極限承載力效果愈明顯 ， 對(duì)稱荷載作用下 ， 網(wǎng)殼極限承載力最大可提高 3%， 非對(duì)稱荷載作用下 ， 當(dāng) p/g =1/4 時(shí)拉桿預(yù)應(yīng)力效果最為顯著 ， 極限承載力最大可提高 10%圖 9 拉桿預(yù)應(yīng)力下的荷載 -位移全過(guò)程曲線 ( p/g =1/4， f/b =1/6)Fig9 The load-deflection curves under the effect of prestressed tension member33 初始幾何缺陷的影響圖 10、圖 11 分別給出了兩種長(zhǎng)寬比柱 面溫室網(wǎng)殼在不同缺陷下的荷載 -位移全過(guò)程曲線及臨界點(diǎn)時(shí)刻桿件軸力分布 和其它柱面網(wǎng)殼不同 ， 拉桿式柱面網(wǎng)殼在對(duì)稱荷載作用下的極限承載力隨著初始缺陷的增加而增大 ， 這是受初始缺陷影響 ( 圖 4) ， 在 荷載作用下網(wǎng)殼中部橫向桿件及跨中縱向桿件內(nèi)力增大從而使殼面剛度增強(qiáng) ， 因此網(wǎng)殼極限承載力增加 21% 43% 長(zhǎng)寬比 L/b =2 時(shí) ， 四邊支承柱面網(wǎng)殼的極限承載力隨著初始幾何缺陷的增大而增加 ， 增加幅度 14% 38%， 兩縱邊支承柱面網(wǎng)殼極限承載力同樣受初始缺陷影響 ， 到達(dá)臨界荷載時(shí)刻 ， 桿件進(jìn)入塑性位置偏于加勁肋一側(cè) ， 與臨界點(diǎn)時(shí)刻位移形態(tài)相對(duì)應(yīng) ( 圖 12) ， 結(jié)構(gòu)極限承載力降低 14% 24%34 荷載不對(duì)稱分布的影響荷載不對(duì)稱分布普遍存在于實(shí)際工程中 ， 對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響是不可忽略的 ， 因 此考察荷載不對(duì)稱分布對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響是值得關(guān)注的問(wèn)題 圖 13 給出了考慮初始幾何缺陷時(shí) ， 網(wǎng)殼極限承載力隨荷載分布的比例變化 圖 14 給出了四邊支承柱面網(wǎng)殼在臨界點(diǎn)時(shí)刻的塑性發(fā)展分布 分析結(jié)果表明 ， 隨著不對(duì)稱荷載比例的增加 ， 彈塑性臨界荷載呈現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì) ， 當(dāng) p/g =1/4 時(shí) ， 網(wǎng)殼極限承載力平均增加了 26%， 說(shuō)明荷載不對(duì)稱分35No1張 中昊等 : 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能分析圖 10 初始缺陷對(duì)網(wǎng)殼極限承載力影響 ( L/b =1， f/b =1/5)Fig10 Effect on critical load of cylindrical shells with different initial imperfection圖 11 不同缺陷下荷載 -位移全過(guò)程曲線 ( L/b =20， f/b =1/5)Fig11 The load-deflection curves with different initial imperfection布在一定值范圍內(nèi)可引起柱面網(wǎng)殼的敏感性變化 從桿件受力來(lái)看 ， 當(dāng) p/g =1/4 時(shí) ， 進(jìn) 入塑性桿主要集中在荷載較小一側(cè) ， 當(dāng) p/g =1/2， 進(jìn)入塑性桿件相繼呈現(xiàn)在網(wǎng)殼中線兩側(cè) ，進(jìn)入塑性桿件明顯增多 ， 使網(wǎng)殼極限承載力降低到 p/g =1/4 情況下 80%這也可以從的網(wǎng)殼失穩(wěn)模態(tài)得出相應(yīng)的結(jié)論 ， 網(wǎng)殼在對(duì)稱荷載作用下的失穩(wěn)模態(tài)呈3 個(gè)半波的凹陷形式 ， 失穩(wěn)區(qū)域出現(xiàn)在網(wǎng)殼中線兩側(cè)呈對(duì)稱分布或在殼面中央 ， 當(dāng)荷載不對(duì)稱分布時(shí) ， 失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)出現(xiàn)在殼面中線一側(cè)或在殼面中央 圖 15 給出了不同長(zhǎng)寬比的四邊支承網(wǎng)殼在荷載不對(duì)稱分布下的全過(guò)程曲線 ， 分別考察了完整網(wǎng)殼和具有 b/250 缺陷兩種情形 ， 與其它柱面網(wǎng)殼情形不同 ， 當(dāng) p/g =1/4 時(shí) ， 網(wǎng)殼彈塑性極限承載力有增加趨勢(shì) ， 有缺陷時(shí)增加趨勢(shì)更為明顯 45應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào) Vol26圖 12 兩縱邊支承柱面網(wǎng)殼臨界點(diǎn)時(shí)刻的位移形態(tài) ( L/b =2)Fig12 The displacement of cylindrical shell at critical point圖 13 網(wǎng)殼極限承載力隨荷載分布的變化 ( f/b =1/4， L/b =2)Fig13 Critical load of cylindrical shells according to load distribution圖 14 四邊支承柱面網(wǎng)殼在臨界點(diǎn)時(shí)刻的塑性發(fā)展分布 ( f/b =1/4， L/b =2)Fig14 Plasticity distribution of cylindrical shell at critical point4 穩(wěn)定承載力系數(shù)法 -3原 則在 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析過(guò)程中 ， 常用的穩(wěn)定承載力系數(shù)保證率有 95% 與 99. 87%， 后者稱 “3 原則 ” 11， 23 本 文采用 “3”原則確定結(jié)構(gòu)的 “塑性折減系數(shù) ”， 將彈性 、彈塑性全過(guò)程分析得到極限承載力的比值定義為 “塑性折減系數(shù) ”， 用 Cp表 示 針對(duì)本文算例 ， 按照統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì) Cp值 進(jìn)行統(tǒng)計(jì) ， 將這一數(shù)值定量化 按照網(wǎng)殼規(guī)程的建議 ， 在進(jìn)行網(wǎng)殼的彈性全過(guò)程分析時(shí) ， 對(duì)具有 b/300 大小初始缺陷的兩縱邊支承溫室網(wǎng)殼的塑性折減系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 ， 求得 Cp的平均值和均方差 : Cp=0. 794， cp=0. 014;55No1張 中昊等 : 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼的穩(wěn)定性能分析圖 15 四邊支承網(wǎng)殼在荷載不對(duì)稱作用下的全過(guò)程曲線 ( f/b =1/4)Fig15 Complete load-deflection curve of cylindrical shell with unsymmetrical action of loads如 果按 99. 87%的保證率 ， 可求得建議的折減系數(shù)為Cp= Cp3cp( 3)式 中 ， Cp為塑性折減系數(shù) ; Cp、cp分別為塑性折減系數(shù)的平均值和均 方差 按照同樣的方法可以求得不同長(zhǎng)寬比溫室網(wǎng)殼的塑性折減系數(shù) ， 甚至可以按照不同矢跨比求得更為細(xì)致的統(tǒng)計(jì)結(jié)果 ， 如表 2 所示 表 2 拉桿式柱面溫室網(wǎng)殼折減系數(shù) Cp統(tǒng) 計(jì)Table 2 Statistics of ratio Cpfor cylindrical shellL/b 支 承類型矢跨比 ( f/b)1/4 1/5 1/6 1/6 1/41兩 縱邊支承 0691 0788 0805 0751四邊支承 0737 0880 0870 08142兩 縱邊支承 0595 0696 0758 0668四邊支承 0681 0841 0856 07705 結(jié) 論本文對(duì)典型雙向網(wǎng)格型單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和考慮布置拉桿后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行 了對(duì)比分析 ， 并對(duì)長(zhǎng)寬比大于 1 的網(wǎng)殼 ， 提出了加勁肋的布置方法 ， 考察了拉桿的兩種布置方式對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響 ， 主要得出如下結(jié)論 :( 1) 拉桿式柱面網(wǎng)殼的屈曲模態(tài)主要呈現(xiàn)殼面跨中凸起兩側(cè)凹陷的 3 個(gè)半波的對(duì)稱變形 當(dāng)長(zhǎng)寬比大于 1 時(shí) ， 可通過(guò)設(shè)加勁肋增強(qiáng)整體剛度 ， 極限承載力平均增加 19%， 四邊支承網(wǎng)殼表現(xiàn)為加勁肋兩側(cè)殼面呈對(duì)稱變形 ， 兩縱邊支承網(wǎng)殼易發(fā)生分枝失穩(wěn) ， 在加勁肋兩側(cè)呈逆對(duì)稱變形 ;( 2) 拉桿式柱面網(wǎng)殼在臨界點(diǎn)時(shí)刻并無(wú)桿件全截面進(jìn)入塑性 ， 沒(méi)有發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象 ， 說(shuō)明拉桿的布置能夠較好的控制殼面剛度 網(wǎng)殼橫向桿件由跨中兩側(cè)到中心逐漸進(jìn)入塑性 ， 失穩(wěn)后殼面中部桿件進(jìn)入塑性 當(dāng)網(wǎng)殼長(zhǎng)寬比為 2 時(shí) ， 加勁肋處斜拉桿進(jìn)入塑性 ， 因此勁肋處拉桿的設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中至關(guān)重要 ;65應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào) Vol26