混凝土折板式拱网壳的非线性分析

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混凝土棱柱面网壳和双向折板式拱网壳均为新型空间网格结构。棱柱面网壳是将圆柱面等分后用一系列密肋平板在脊线处汇交组成,具有跨度大、通透性好、防火耐腐的优点。为了跨越更大的空间,在棱柱面网壳的基础上沿纵向起拱便可得到双向折板式拱网壳。两种新型网壳兼具密肋平板与折板壳的优点,使受力更加合理,同时方便施工,具有广阔的应用前景。本文运用有限元方法计算分析了这两种结构的静力性能、弹性稳定,在此基础上开展了几何非线性稳定、材料非线性和双重非线性分析。结果表明:(1)增大矢跨比能提高结构相应的承载力。当棱柱面网壳的矢跨比从1/10增加至1/3时,弹性临界荷载增大约1.5倍,几何非线性临界荷载增大2.4倍,材料非线性极限荷载增大约59%,双重非线性极限荷载增大1.1倍。在工程应用时,为避免浅网壳受力,建议其矢跨比不小于1/6。对于双向折板式拱网壳,当横向矢跨比从1/10增加至1/4时,弹性临界荷载增大约1.3倍,材料非线性极限荷载仅增大约13%,因此建议横向矢跨比取1/6~1/4,而纵向矢跨比宜取1/8~1/4。(2)增大屋面板厚度能在一定程度上提高结构的相应承载力,但建议板厚取80mm~100mm。(3)增大密肋梁刚度能提高结构相应的承载力。当其截面高度由300mm增加至700mm时,棱柱面网壳的弹性临界荷载增大约98%,几何非线性临界荷载增大约33%,材料非线性极限荷载增大74%左右,双重非线性极限荷载增大约85%;双向折板式拱网壳的弹性临界荷载增大48%左右,材料非线性极限荷载增大约20%。但过大的密肋梁刚度对提高结构的相应承载力有限,建议密肋梁截面高度取结构跨度的1/120~1/80。(4)增大主拱刚度能提高结构相应的承载力。当其截面高度由500mm增加至900mm时,棱柱面网壳的弹性临界荷载增大1.13倍,几何非线性临界荷载增大约2倍,材料非线性极限荷载增幅不到10%,双重非线性极限荷载提高约60%;双向折板式拱网壳的弹性临界荷载增大约1倍,材料非线性极限荷载增大约23%。过刚的截面对提高结构相应承载力不显著。因此,主拱截面高度宜取结构跨度的1/80~1/50。(5)引入初始几何缺陷会降低结构的相应承载力。对棱柱面网壳的几何非线性临界荷载和材料非线性极限荷载将降低约5%~15%,对双重非线性极限荷载的降低程度达到10%~30%左右;而对双向折板式拱网壳的影响则无明显规律,需要具体分析。(6)本文提出的近似计算公式能较合理地估计结构的相应承载力。
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