穹顶网壳的稳定性试验研究

火灾下大跨度弦支穹顶结构的性能分析

文章编号：０９０９２１）４０３１０ —０２（Ｏ２Ｏ — ３６—０５
文献［］［］４与５的试验数据对比情况，图１示。见所
弦支穹顶结构是通过在单层网壳的下部设置竖向撑杆、向拉索和环向拉索形成的一种具有较强跨越能力径的弦支结构。由于撑杆和拉索的设置，部单层网壳的上
温度， ℃
构材料升温的真实时间历程，用考虑时间积分效应的采非线性有限元数值分析法，立用于弦支穹顶结构抗火建分析的数值模型。最后，过分析大跨度弦支穹顶结构通
消防淫埝磺究
火灾下大跨度弦支穹顶结构的性能分析
宗钟凌，永福何，李世歌
（．海工学院土木工程学院，苏连云港２２０；１淮江２０５２连云港市建筑设计研究院有限责任公司，苏连云港２２０）．江２００
垛
攥辖
型意
一
整体刚度得到了提高，而提高了单层网壳结构的稳定进
性；过在拉索中引入预应力，得单层网壳产生反挠通使
缕
度，小了上部单层网壳在荷载作用下的最终挠度和对减
抗火的影响。分析结果表明：火灾作用下，在大跨度弦支穹顶

弦支穹顶结构综述

弦支穹顶结构综述摘要：本文介绍了弦支穹顶结构的工作机理及工程应用，对该结构的理论研究、试验研究和施工方法的现状进行了总结并做了展望。

关键词：弦支穹顶、理论研究、试验研究、施工方法Abstract: This paper introduces thesuspend-domestructure andworkingmechanism ofthe engineering application,thestructureofthetheoretical research,experimental study and constructionmethodsare summarizedand prospected.Keywords:suspendome,theoretical research,experimental study,construction method引言弦支穹顶结构1993年由日本学者川口卫提出，结构利用张拉整体的思想，提高了单层网壳结构的整体刚度，降低了单层网壳的缺陷敏感性，充分发挥材料性能，降低钢材使用量，从而使得网壳可以应用于更大的跨度。

弦支穹顶结构概述1.1工作机理弦支穹顶结构上弦为单层网壳，下弦为撑杆和预应力索形成的张拉整体结构，给索施加的预应力，通过撑杆传递给单层网壳，使上弦产生反拱，使结构在使用荷载作用下的内力和变形减小。

预应力索主要承担了上弦部分产生的外推力，使结构整体部分形成自平衡体系，减小环梁的水平推力。

同时，预应力索增大了结构的整体刚度。

1.2工程应用弦支穹顶结构由于受力合理、造型美观，一经提出就受到设计人员的青睐，应用于实际工程。

日本是最早应用这一结构形式的国家，“光球”穹顶是世界第一座采用弦支穹顶结构的屋盖，跨度35m，屋顶最大高度14m。

“光球”穹顶只在单层网壳的最外层下部布置了张拉整体结构，并将径向拉索改为钢管，通过对钢管施加预应力，使周边环梁的水平推力为零。

弦支穹顶结构的弹性稳定性分析

１Ｇ０１．０２混凝土结构设计规范［］Ｓ、规定进行各工序隐蔽工程的检验及验收，如发现有施工质量不满［］Ｂ５００２０，［］ＥＳ１６２０，纤维片材加固混凝土结构技术规程［］２ＣＣ４：０３碳Ｓ．足规程有关条款的要求，应立即采取补救措施或返工，碳纤维片材
型的空问复合结构体系——弦支穹顶（ｕｐｎｄｍｅ。通过复合Ｓｓｅ—ｏ）得到的弦支穹顶，一方面增加了单层球面网壳的曲面外刚度，改善了单层球面网壳结构稳定性，使结构能跨越更大的空间；另一方面新结构体系具有一定的刚度，不再是纯柔性结构，使其设计、施工及节点构造与索穹顶等完全柔性的结构相比得到了较大的
收到了较好的综合效益。所以，粘贴碳纤维关。在施工之前，应确认碳纤维片材和配套的树脂类粘结材料决了工程技术难题，就的产品合格证、品质量出厂检验报告，产各项性能指标是否符合布加固混凝土结构在工程中的应用将会越来越广泛。设计要求，在结构加固的过程中，应严格按照规程的有关条款的参考文献：
法探讨以及全过程分析程序的编制等。目前，弦支穹顶结构弹性稳定研究无论是分析理论还是实用方法都取得了丰硕的成果。但
干净至无粉尘，当需粘贴两层时，底层碳纤维板的两面均应擦拭纤维片材表面的方法检查，总有效粘结面积不应低于９％，５当碳
简化。
弦支穹顶结构的非线性稳定研究一直是国内外学者关注的热点问题 … 这些研究工作的内容大致可分为几方面：支穹顶１，弦结构大位移几何非线性研究；弦支穹顶结构对初始缺陷的敏感性

基于稳定度的压电网壳结构非线性动力稳定分析

ＮｏｎｌｉｎｅａｒＤｙｎａｍｉｃＳｔａｂｉｌｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＳｈｅｌｌＳｔｒｕｃｔｕｒｅＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＳｔａｂｉｌｉｔｙＣｒｉｔｅｒｉｏｎ
有价值的成果，但关于网壳动力稳定性能的研究目前较少。动力稳定是网壳结构抗震抗风研究的
核心内容之一，动力稳定性问题实质上是非线性问
题－ｚ。对于任意激励下弹性结构的非线性稳定问题，目前可行的途径是求解结构的运动时程过程，李亚谱诺夫指数就是根据结构运动时程推导出来并成
［文章编号］１００２ — ８４１２（２０１３）０６ — ００２４－０６
基于稳定度的压电网壳结构非线性动力稳定分析
朱军强，李必雄，张彬，周双科（西安建筑科技大学土木工程学院，西安７１００５５）
阵、节点增量速度列矩阵和节点增量位移列矩阵；
｛。｝＿ｒ［Ｋ］｛ＡＵ｝＋１｛ＡＵ｝［Ｋ。］｛ＡＵ｝
（７）
参考图１所示，可以较为直观地了解这种能量
变化与刚度特性的关系。对于弹性体系的线性问
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｎｏｎｌｉｎｅａｒｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅＧｏｅｈｔｅＳｃｏｔｔｄｕｍｅｎｅｔｓｈｅｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄａｍｐｅｒｂａｒｕｎｄｅｒｅａｒｔｈｑｕａｋｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｈｉｓｔｏｒｙｒｅｓｐｏｎｓｅｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｅｎｅｒｇｙｃｈａｎｇｅｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｂｙｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎｉｓｓｕｍｍｅｄｕｐｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｎｄｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒａｔｅｃｒｉｔｅｒｉｏｎａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｅｄｗｉｔｈｅａｃｈｏｔｈｅｒ．ＴｈｅｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｈｅｌｌａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙＭａｔｌａｂｏｆｏｕｒｏｗｎ，ａｎｄｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｈｅｌｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｕｌｅａｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ，ｗｈｉｃｈｌａｉｄａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｍａｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧｏｅｔｈｅＳｃｏｔｔｄｏｍｅｎｅｔｓｈｅｌｌ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄａｍｐｅｒ；ｅｎｅｒｇｙ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ｓｅｉｓｍｉｃｌｏａｄｓ

单层球面网壳结构的稳定性分析

单层球面网壳结构的稳定性分析摘要：网壳结构是近年来在建筑工程中广泛应用的一种空间结构形式，它受力合理,造型美观, 用料经济,施工简便。

其结构形势多样,跨度较大,重量轻，因而网壳结构的稳定性问题是结构设计和施工安装中的十分重要。

本文主要在国内外研究成果的基础上，介绍单层球面网壳结构的发展状况以及其非线性稳定性分析方法，并得出相关结论。

关键词：单层球面网壳结构、非线性、稳定性Abstract:In recent years latticed shell is a widespread spatial structure in the architectural engineering because of the reasonable stress, the beautiful modeling and convenient installation. Its structure diversifies , span is big and the weight is light. So the stability calculation problem on the latticed shell structure becomes important in the structure design and construction installment. Based on the recent research within and without , this paper mainly introduce the development and the nonlinear stability analysis methods of single-layer spherical lattice shells and draws some conclusions.Key words: single-layer spherical lattice shell、nonlinear、stability1 网壳结构的发展概况网壳结构是一种由杆件构成的曲面网格结构，可以看作是曲面状的网架结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性。

弦支穹顶结构的稳定承载力分析

索的弹性模量Ｅ＝１８×１／ｍ。对各圈环索从外到内．０Ｎｍ按照不变的比例施加预应力。外三圈与内两圈撑杆高度保持ｌ０８的比值不变。模型的撑杆与拉索铰接；：．撑杆与拉索
在与上部网壳连接处采用铰接；支座采用空间三向铰支座；
载值。具体操作方法为，Ｊ当荷载在加载到一定大小后，结
构发生屈曲，刚度矩阵出现奇异，算结果不再收敛，其计此
上部网壳构件之间则分别采用刚接和铰接两种形式进行对比分析。模型承受１Ｎｍｋ／的均布面荷载，折合为每个节点
（）不同矢跨比：２显示，１表弦支穹顶稳定承载力随矢跨比的变化而改变。在矢跨比由１６变为１８时，／／稳定承载力提高了１．６；当矢跨比从１８变为１１７５％而／／０时稳定承载力下降９６％；１１．２从／０变为１１／２时稳定承载力下降１．９。分析原因，８９％主要是因为在同等撑杆高度下，当结构的矢跨比较大时，下部径向拉索与撑杆之间的夹角增大，使
低
温
建筑
技
术
２１年第８（０１期总第１８）５期
弦支穹顶结构的稳定承载力分析
李峰，赵崎
７０５１０５）（西安建筑科技大学土木工程学院．西安
【摘
要】弦支穹顶结构作为一种新型结构形式，与单层网壳相比，刚度和稳定性都有了很大的提高；其与

某单层球面网壳结构整体稳定性分析与研究

１工程概况
图１网壳结构形式财富广场商贸城穹顶网壳工程钢结构图纸设计使用年限为５０年，建筑安全等级为二级。其主要技术参数为：１）网壳平面尺寸：Ｄ４＝６ｍ２）网壳失高：ｆ１ｍ＿２３）支承方式：周边多点支承４）网壳总重：５吨６
１从变形角度来说，失稳在实际上也可以被认为是一种从弹）
性变形到几何变形的变形转移。２）能量的角度来说，结构失稳就是储存在结构中的应变能从
形式发生转换。就网壳结构来说，结构失稳时部分薄膜应变能向
图２方法１）得出的荷载一位移曲线用上面提到的方法２）对该单层网壳进行分析，同时考虑几何非线性和材料非线性影响，用一致缺陷法模拟初始缺陷影响。钢材的本构关系如图３示。得出的荷载一位移曲线如图４所所示，安
Ｋｕ＿ｒ＋ △ ｌＡ
须考虑这种非线性效应。又由于网壳结构的大部分构件呈受压状态，典型的破坏形式是失稳破坏。这种破坏的突发性，使得损失更加严重。网壳结构发生失稳破坏时钢材实际承受的应力水平很低，常常仅为３Ｐ一０ＭＰ，远未充分发挥钢材的强度优势，这０Ｍａ４ａ说明网壳结构的稳定研究具有非常重要的意义。网壳结构的失稳从几何学原理和能量原理的观点来看，都可以归结为一种转移，是处于高位能的结构由平衡的临界状态向低位能的稳定平衡状态的转移。发生平衡转移的那个瞬问状态，就是临界状态。

网壳结构的稳定分析

网壳结构的整体稳定分析姓名:张秀斌学号:10121270指导教师:张勇网壳结构的整体稳定分析摘要网壳结构的稳定性是网壳、特别是单层网壳分析中的一个关键问题，复杂曲面单层网壳结构的稳定性问题更值得重视。

如何准确计算结构的稳定极限承载力和确定各种因素对稳定性的影响程度是结构设计必须考虑的问题。

本文简单介绍了网桥结构稳定分析的两种方法拟壳法和有限元法，并展望了网壳稳定分析的发展趋势。

关键词：网壳结构失稳有限元法几何初始缺陷目录网壳结构的整体稳定分析 (2)关键词：网壳结构失稳有限元法几何初始缺陷 (2)1绪论 (3)1.1网壳结构的特点 (3)1.2网壳结构的分类 (3)1.3 国内外网壳结构应用概况 (3)2网壳结构稳定性分析的理论和基础 (4)2.1稳定分析的必要性和目的 (4)2.2失稳和屈曲 (5)2.3网壳结构的失稳模态 (5)2.4影响网桥结构整体稳定性的因素 (7)3网壳结构的稳定分析方法 (8)3.1拟壳法 (8)3.2有限元法 (9)3.21有限元法的特点： (9)3.2.2有限元分析的关键问题 (9)3.3有缺陷网壳的相关分析方法 (10)3.3.1随机缺陷模态法 (10)3.3.2一致缺陷模态法 (10)4网壳稳定分析趋势与展望 (11)参考文献 (12)1绪论1.1网壳结构的特点网壳结构是一种曲面形网格结构，有单层网壳和双层网壳之分，是大跨空间结构中一种举足轻重的主要结构形式。

网壳结构的优点和特点，大致可归纳如下：(1)网壳结构兼有杆系和薄壳结构的主要特性，杆件比较单一，受力比较合理。

(2)网壳结构的刚度大、跨越能力大，往往当跨度超过l00m时，便很少采用网架结构，而较多的采用网壳结构。

(3)网壳结构可以用小型构件组装成大型空间，小型构件和连接节点可以在工厂预制，走工业化生产的道路，现场安装简便，不需要大型的机具设备，因而综合技术经济指标较好。

(4)网壳结构的分析计算借助于通用程序和计算机辅助设计，现已相当成熟，不会有多大的难度。

弦支穹顶结构体系的研究进展

一
重及造价也有所降低、跨度也更大，是一种全新的空间张拉体系。
授等人从理论设计、模型试验到实际工程施工进行了较系统和完弦支穹顶作为刚、结合的新型杂交空间结构，方面改善整的研究。国内最早开展弦支穹顶研究的是天津大学。而后北柔一了单层球面网壳结构的稳定性，使结构的跨度更大，另一方面新京工业大学、天津大学、浙江大学、清华大学等单位也逐步开始针
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第３４卷第１５期２００８年５月
山西建筑
ＳＨＡＮＸＩＡＲＣＨＩＴＥＣＵＲＥ￣
Ｖｎ．４ＮＯ５１３１
Ｍａ．２０ｙ０８
・５・５
文章编号ｉ０９６２２０）５０５．２０．８５（０８１．０５０１
应力大小、比例的设定准则。
图１光球穹顶图２天津开发区商务中心大堂
２２稳定性分析．
天津大学的陈志华教授，以跨度３．矢高４６ｍ的弦支５４ｍ，．
我国从１９年起对弦支穹顶结构进行了相应的研究工作，９９
空间结构形式。
２１结构动静力分析．
Ｋａａｕｈ在文献［］ｗｇｃｉ１中以跨度２０ｍ，高３的假想弦０矢０ｍ支弯顶为例，对其在拉索预拉力和Leabharlann 荷载作用下的静力反应进行
１工程实例
了理论分析，并将弦支弯顶（有预拉力）弦支弯顶（、无预拉力）及川口卫教授１９９３年提出这一新型结构体系后，对该体系进相应单层球面网壳的杆件内力进行了比较，果表明，结具有预拉

浅析钢结构稳定问题的可靠性

行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。国内外学者对结构可靠度理论已经进行了较为深入的研究，在可靠度计算方法及复杂结构可靠度分析方面取得了很多研究成果。任何工程分析和设计的最终目的是使设计的结构在不同要求下满足不同的功能安全性、使用性、耐久性由于不确定性的存在，就需要把这些不确定性加人工程设计中，从而产生了很多可靠度方法。为了估计结构可靠度，首先要解决相关荷载和抵抗力参数以及它们之间的函数关
数的穹顶网壳的稳定问题进行有益的研究。实际结构由于存在各种各样的随机缺陷的影响，与理想结构存在差异。对于缺陷敏感性结构，缺陷可能会造成结构稳定性的急剧下降，所以有必要考虑随机参数
的影响，引入可靠度分析方法，进行稳定问题的可靠性研究。由于大跨度钢结构体系的可靠性研究涉及较多的力学和数学的知识，有一定难度，目前这方面的研究成果有限。对网壳结构的稳定性的可靠性分析和设计进行了详尽的研究、丰富了结构可靠度的理论和计算方法，并将其应用于工程结构的分析和设计，显示了良好的前
１）物理、几何不确定性：如材料（性模量，屈服应力，泊松比等）弹、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。２）统计的不确定性：在统计与稳定
性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。３）模型的不确定性：为了对结构进

多维地震作用弦支穹顶结构动力稳定及对比分析

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第７卷
第１８期
２００７年９月
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ．Ｎｏ１１７．８
Ｓｐ０７ｅ．２０
１７－８９２０）８４８－５６１１１（０７１－７６０
ＳｉｎｅＴｃｎｌｇｎｎｉｅｒｎｃｅｃｅｈｏｏｙａｄＥｇｎｅｉｇ
＠
２０ＳｉｅｈＥｇｇ０７ｅ．Ｔｃ．ｎｎ．
建筑技术
多维地震作用弦支穹顶结构动力稳定及对比分析
王秀丽孙晓骥赵玉慧
（兰州理工大学土木工程学院，兰州７０５；西安建筑科技大学土木工程学院。西安７０５）３００，１０５
组成一种新的结构形式＜ｃ＞。一个弦支层包括同
一
够的，应考虑多维地震的联合作用。基于张拉整Ｊ
体思想产生的弦支穹顶结构（ｕｐｎｏ）以充Ｓｓｅｄｍｅ可分利用高强拉索的材料特性，化结构体系的内力优分布，一种综合了单层网壳和索穹顶结构优良性是能于一体的新型结构形式Ｊ自弦支穹顶结构于。１９９３年被首次提出至今，结构在国内外均有工程该应用的实例。然而由于该结构的发展时间比较短，对它的抗震性能尤其是结构在地震等动力作用下十分重要的动力稳定性的研究，少有文献涉还
向预应力拉索，在地震作用时对提高结构抗震性能

浅析钢结构稳定问题的可靠性

・
３ｌ０・
工程科技
浅析钢结构稳定问题的可靠性
高文君
（黑龙江省西埃迪建筑设计院，黑龙江哈尔滨１５００００）摘
一
要：稳定问题一直是钢结构设计的关键问题之一，钢结构体系的广泛应用凸显了稳定问题研究的重要性和紧迫性。由于钢结构
２．１结构分析中的不确定陛因素来源。影响刚结构体系稳定『生的不工弹簧法、自动求解技术、能量平衡技术等使跟踪屈服问题全过程，得确定陛的基本变量许多是随机的，一般分为三类：到结构的下降段曲线成为可能。国内学者关于网壳结构稳定性也进行（１）物理、几何不确定陛：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、了大量研究。在国外研究的基础上，通过精确化的理论表达式、合理的路径平衡跟踪技术及迭代策略，实现了复杂结构体系的几何非线性全杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。（２）统计的不确定性：在统计生有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密过程分析，取得了规律性的成果。同时利用随机缺陷模态法和一致缺陷与稳定Ｉ因此带来一定的经验陛。这种不确定性称为统计的不确定模态法两种方法，对网壳结构各种初始缺陷的影响进行研究，较好地描度分布函数，述了结构的实际承载过程。也有一些学者进行了实验方面的研究，对不性，是由于缺乏信息造成的。（３）模型的不确定性：为了对结构进行分所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中同分析方法的有效性和精确性进行了说明。对网壳结构的动力失稳机析，理、稳定准则、动力后屈曲等问题进行了研究。对于象网壳结构这类缺反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型

混合型穹顶网壳结构的静力特性分析

体，的尺寸为１ｍｘ１ｍ，泥砂浆标号为Ｃ０在单肋４ｃ３ｃ水２。
刚度很大。还可以发现第一种工况下结构的位移处于最不
利荷载情况下，时结构的竖向位移在单层部分相差不大，此而到边界附近减小较多，构的水平位移／则是在结构的结Ｚ、
风振系数按规范取值，由于研究的结构高度在３１０Ｉ以内，＇／且高跨比小于１：，时风振系数取为１０５此．。风压高度系数按ｃ类地区取值，在不同的高度其取值相应发生变化。本文采用主次关系法构造空间偏心梁单元的刚度方程。即取板单元节点位置为有限元法中的主节点，梁单元节点位
工两。缭；糖鼯ｌ蟊ｌ
混合型穹顶网壳结构的静力特性分析
严标，孔煜
（贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳５００）５０３
【摘要】混合型网壳结构是一种新型的空间结构形式。文章以穹顶网壳与钢筋混凝土带肋薄壳组成
的混合型穹顶网壳为例，通过有限元程序分析了混合型穹顶网壳结构的位移和内力分布规律，对于促进该结构设计应用的深入研究具有参考价值。
的实际内力不大，未能充分发挥钢材的强度优势。对双层网
式中：为风荷截标准值；为风荷截的体形系数； ∞ Байду номын сангаас
为风压高度变化系数；为基本风压。ｔｏ在计算中，本风压按沿海地区最大风压取值为０８。基．５

网壳结构的稳定性

事实上，当初始缺陷超过一定限度后，这种具有过大初始缺陷的网壳刚度很小，位移发展很快，尽管荷载可能保持上升趋势，但在工程上已没有意义。
l. 球面网壳均表现出极佳空间工作性能，因而荷载的不对称分布对它们的极限荷载几乎没有影响。因而实际应用时，荷载按恒荷+活荷满跨均布考虑。
2.从实用角度，似乎可以将L/500~L/300的安装偏差定为球面网壳可以接受的最大允许缺陷；同时把理想网壳极限荷载的50％定为实际网壳的极限承载力。
《空间网格结构技术规程》JG第J177-页2/0共1204中页 4.3.4条：进行网壳全过程分析求得的第一个临界点处的荷载值，可作为网壳的稳定极限承载力。
采用回归分析的方法为球面网壳的稳定验算推导一个适当的拟合公式，借鉴壳体稳定性的线弹性解析公式：
qcr k
Be De r2
r ——球面的曲率半径(m)；
平均取值为 2.17
综合考虑各种因素（折减系数为0.5，主要为初始缺陷影响
），最后建议对各类实际球面网壳的极限承载力统一按如下
公式计算：
第19页/共24页
qcr 1.05
Be De r2
《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010中4.3.4条：网壳
稳定容许承载力[qks]（荷载取标准值）应等于网壳稳定极限承载力qcr除以安全系数K。当按弹塑性全过程分析
网格划分形式： Kiewitt (K-8,K-6); 短程线型、肋环斜杆型跨度：L＝40，50，60，70m 矢跨比: f/L= 1/5,l/6,1/7, l/8. 截面尺寸：采用四套不同大小的杆件截面 ( 按设计选择截面 ) 初始几何缺陷：完善壳、具有初始缺陷(最大安装偏差
R= L/1000 - L/100)，采用一致缺陷模态法不对称荷载分布： p/g= 0,1/4,1/2.

施威德勒球面网壳的稳定性分析

３ＮＹ建模分析ｓｓＡ
利用大型通用有限元分析程序ＡＳＳＮＹ对单层球面
网壳结构进行建模及求解，限于篇幅，文只对一施威本
以前，当利用计算机对具有大量自由度的复杂体系
进行有效的非线性有限元分析尚不能充分实现的时候，
几何非线性的全过程分析方法，暂不考虑材料非线性的影响，由是：果采用同时考虑几何、理如材料两种非线性
的全过程分析方法，所需要的计算时间尚须增加许多
倍；外，此网壳结构的正常工作状态时在弹性范围内，材料非线性的影响实际上是使结构稳定性承载力的安全
楚。
限承载力；载分布情况（荷满跨均布和半跨均布）响较影小；支承条件包括支承的数量、方式、位置和刚度也是影
响其稳定性的一个很重要因素；节点的刚或柔及其嵌固能力对维持网壳结构的稳定性同样至关重要，单层网壳的节点～般为刚性连接，双层网壳一般为２０年第１期０７２
施威德勒球面网壳的稳定性分析
蔡相娟吴敏哲李春华（西安建筑科技大学土木工程学院）
摘要：稳定性分析是网壳结构尤其是单层网壳结构设计中的关键问题。本文论述了网壳结构稳定
要型式又可分为肋环型球面网壳、施威德勒型球面网
储备可能有不同程度的下降；这种影响已有可能从定对壳、联方型球面网壳、凯威特型球面网壳、向格子型球三量上作出判断。面网壳及短程线球面网壳等。

弦支穹顶结构在地震作用下的动力稳定性研究

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第２３卷
第２期
天
津
理
工
大
学
学报 ຫໍສະໝຸດ ’ｏ．３Ｎ．Ｖ１２ｏ２
Ａｐｒ２０７．０
２００７年４月
ＪｏＵＲＮＡＬｏＦＴ¨ＬＩＵＮＩＮＪＮＶＥＲＳＴＹＩｏＦＴＥＣＨＮｏＬｏＧＹ
荷载增大，结构稳定临界荷载降低，定性能减弱；稳当外荷载增大到一定程度时，结构稳定性的降低幅度反而减小；索的引入大大改善了结构在地震荷载作用下的动力稳定性能，而使得弦支穹顶结构动力稳定性能大于相应单层从
网壳的动力稳定性．
Ａｂｔａｔｎｔｅｐｐｒａａｙｉｎｄｎｍｉｔｂｌｙｏｕｐｎｄｍｅｓｃｒｉｄｏｔｗｔｈｔｃｕｅｐｒｍｅｅｓｓｃｓｓｒｃ：Ｉｈａｅｎｌｓｓｏｙａｃｓａｉｔｆｓｓｅ — ｏｓｉａｒｅｕｉｔｅｓｕｔｒａａｔｒｕｈａｉｈｒｓａｎｉｅｗｔｈｒｇａＡｓｓａｄＴｍｅＨｉｔｒｔｏ．Ｄｒｇｔｅａａｙｉ，ｔｅｓｉｍｉｘｉｔｎａｌｕｅｉｕ — ｐｎａｄｒｓｉｔｅｐｏｒｍｎｙｎｉ — ｓｏｙｍｅｈｄｈｕｎｌｓｓｈｅｓｃｅｃｔｉｍｐｉｄｓｓｐｉｈｎａｏｔｐｓｄｔｅｄｎｉｔｂｌｙｃｉｃｘｉｔｎｗｅｈｔｃｕｅｄｓｌｃｍｅｔｕｄｎｉｃｅｓｓＴｅｒｓｌｈｗｔａｈｏｅｈｙａｃｓｉｔｒｔａｅｃｔｉｈｎｔｅｓｔｒｉｐａｅｎｄｅｎｒａｅ．ｈｅｕｔｓｏｈｔｔｅｍａｉｉｌａｏｕｒｓｓｓｂｌｙｉｃｅｅｌｅｒｅｈｐｎｉｃｅｓｓａｄａｓｃｅｓｓｌｅｒｈｎｔｅｒｓｎｒａｅｔｔｅｂｇｎｉｇ，ｉｔｉｔｒａｉａｌｗｈｎｔｅｓａｎｒａｅｎｏｉｒａｅｉａｌｗｅｈｅｉｃｅｓｓａｈｅｉｎｎｗｈｌａｉｎｓｎｙｌｎｎｙｉｅｉｄｃｅｅｉｅｌｗｅｈｉｅｅｃｅｅｔｉｕｒａａｕ、Ａｄｉａｓｅｎｔｔｓｔａｈｔｉｔｅｌｅｈｎｔｅｒａｓｌａｙｈｎｔｅｒｓｘｅｄａｃｒｎｎｍｅｃｖｅｓｎｒａｉｌｌｎｔｏｄｍｏｓｒｅｈｔｅｓａｌｙｄｃｉｓｗｅｌａｔｂｉｎｌａｓｉｃｅｅｕｔａｒｗｙｄｃｉｅｗｅｈｏｄｎｒａｅｔｅａｎｖｕ、Ａｎｈｕｐｎｄｍｅｉｓｏｅｏｈｖｏｄｎｒａ．Ｂｔｒｏｌｅｌｈｎｔｅｌａｓｉｃｅｓｏａｃｒｉａｅｓｉｎｎｔｌｄｔｅｓｓｅ — ｏｓｈｗｄｔａｅｓｐｒｒｔｉｇｅｌｙｒｉｔｂｌｙｄｅｔｔｅｒｇｄｐｅ．ｕｅｏｙｔｓｎｌ — ｅｎｓａｉｔｕｏｈｉｓａｏｔｄｉｉｏａｉｎＫｅｒｓｕｐｎｄｍｅｉ — ｉｔｒｅｐｎｅｅｓｃｅｃｔｔｎ；ｄｎｉｔｂｌｙｒｔｒｎｅｃｔｔｎ；ｓｒｃｕｅｐ — ｙｗｏｄ：ｓｓｅ — ｏ；ｔｍｅｈｓｙｒｓｏｓ；ｓｉｍｉｘｉｉｏａｏｙａｃｓａｉｔ；ｃｅｏｘｉｉｍｉｉｉａｏｔｔｒａｕ

泰姆科节点铝合金单层穹顶结构稳定性能分析

泰姆科节点铝合金单层穹顶结构稳定性能分析徐帅;陈志华;王小盾;刘红波【摘要】针对铝合金单层穹顶结构中常用的泰姆科节点，通过有限元精细化模拟的方式得到其节点的转动刚度。

并且研究了一跨度为95,m 的泰姆科节点铝合金单层球面穹顶实际工程的稳定性，对比在考虑泰姆科节点转动刚度和假定节点为刚接情况两种情况下，穹顶结构的屈曲分析特征值和考虑几何初始缺陷后的结构稳定性能。

分析结果表明：泰姆科节点属于半刚性节点的范畴。

在考虑节点的实际转动刚度之后，结构的屈曲特征值有所降低，节点刚度对结构的稳定性有一定程度的影响。

通过系统地研究泰姆科节点铝合金单层穹顶结构稳定性，可以为工程提供一定参考。

%The rigidity of Temcor joint which is widely used in aluminum single-layer dome is obtained by means of finite element analysis(FEA). The stability of an aluminum single-layer dome with a span of 95,m is investigated. To compare the differences between rigid joint dome and semi-rigid joint dome,buckling and stability analysis consider-ing the initial geometric defect are made by using FEA. Analysis results showed that Temcor joint is semi-rigid. After considering the actual rigidity of joint,the buckling eigenvalue of the structure declines,which means that the rigid-ity of the joint has an effect on the stability of the aluminum single-layer dome. The systematic stability analysisin this paper can provide reference for similar projects.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2015(000)0z1【总页数】7页(P32-38)【关键词】泰姆科节点;铝合金单层穹顶结构;节点刚度;稳定性【作者】徐帅;陈志华;王小盾;刘红波【作者单位】天津大学建筑工程学院，天津 300072;天津大学建筑工程学院，天津 300072; 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072;天津大学建筑工程学院，天津 300072; 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072;天津大学建筑工程学院，天津 300072; 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072【正文语种】中文【中图分类】TU318铝合金因其质轻、耐腐蚀及良好的加工性能，与空间结构的结合使得铝合金的优势发挥更为充分．铝合金与钢材相比，密度仅为钢材的1/3，在相同跨度下，铝结构可减轻自重20%,～30%,，轻盈的结构体系可跨越更大的跨度，同时自重的降低减小了下部支座的负担，轻盈的结构有利于抗震设计[1]．对于空间网壳结构而言，其稳定问题一直备受各国学者的关注[2]．经过多年来的研究，目前已经有比较成熟的计算结构稳定性方面的分析方法和相关理论．然而在众多对网壳结构稳定的影响因素的分析中，主要的关注点在于穹顶结构体系、结构采用的形式以及荷载情况、结构支座边界条件、结构初始缺陷等方面，而在节点刚度方面的研究和关注度还相对缺乏．日本的Shiro等[3]研究了考虑节点半刚性连接和初始缺陷的球面网壳的极限承载力理论，并对结构所用的半刚性节点提出了合理的分析计算方法．英国的Mohammad[4]也针对节点刚度开展了一系列的研究，得到了许多球面穹顶结构稳定性方面的成果．我国许多学者也对节点刚度对穹顶结构稳定的影响进行了一定的研究[5-13]．本文针对铝合金泰姆科(Temcor)节点单层球面穹顶结构开展了稳定性能研究，分析了节点刚度对其的影响．1.1 泰姆科节点对于铝合金单层穹顶结构而言，其常用的节点类型为泰姆科节点体系，如图1所示，由H型铝合金杆件、上下连接盘以及虎克螺栓3部分组成．在安装时首先将虎克螺栓穿过H型铝合金杆件的翼缘和连接盘的螺栓孔，之后通过专用的设备完成安装．虎克螺栓的构造如图2所示，在安装中，螺栓杆受到安装设备的单向拉力作用，同时套环受到推挤而变形，套环被挤压进螺栓杆螺纹，使套环和螺栓杆形成紧密连接．1.2 工程概况新疆已建成的实际单层铝合金穹顶工程，共有3个形式相同的穹顶结构，其结构跨度均为95,m，位于新疆自治区哈密市伊吾县白石湖矿区，在2013年开始施工主体骨架工程，并于2014年11月完成外部蒙皮工程，如图3所示．在结构中采用的典型节点和杆件尺寸以及蒙皮板与杆件连接的详图如图4所示．穹顶结构安装于距地面6.6,m的挡煤墙上，上部穹顶结构高约25,m．挡煤墙共设置60个扶壁柱，柱顶部为混凝土环梁，60个支座均布于环梁上，且支座均为铰接支座．在本工程中采用的杆件和连接板材料均为6061-T6状态的铝合金，上下连接板与杆件之间通过虎克螺栓采用专门工具完成连接．结构杆件尺寸均采用H255,mm×120,mm×4,mm×6,mm的H型铝合金杆件，连接板的尺寸为直径400 mm，厚度10 mm，如图5所示．杆件所用铝合金的弹性模量为70kN/mm2，泊松比为0.3．在本文的分析中仅针对上部的铝合金单层穹顶，建模过程不考虑下部的混凝土柱和混凝土连梁，结构模型如图6所示．结构受到的恒荷载为0.2 kN/m2，活荷载为0.5 kN/m2，在分析中考虑荷载为均匀分布于整个穹顶结构．1.3 泰姆科节点转动刚度分析如果在分析中简单地将泰姆科节点视为刚接节点，不考虑泰姆科节点的承载能力和刚度，得到的结果很可能高于穹顶结构的实际性能，导致结构设计的安全性降低，容易在结构施工或使用过程中出现问题．因此，通过有限元软件ABAQUS对新疆工程中的泰姆科节点进行精细化模拟．模拟中采用软件自带的非协调单元C3D8I模拟泰姆科节点的杆件和上下连接板．为了简化分析，在杆件的本构关系中，取名义屈服强度f0.2为254,MPa，极限抗拉强度为290,MPa；连接板的本构关系中，取名义屈服强度f0.2为256,MPa，极限抗拉强度为313,MPa；虎克螺栓假定为刚体，不考虑其在模拟分析中的变形情况．采用上述方法建立的泰姆科节点平面外受力有限元模型如图7所示．通过有限元分析得到的泰姆科节点的变形情况如图8所示，泰姆科节点向平面外弯曲，模型整体的变形呈对称性．通过分析得到泰姆科节点平面外所受弯矩和连接盘中心竖向位移之间的关系曲线，如图9所示．根据绘制的曲线可得到铝合金泰姆科节点的初始刚度约为1.06×104,kN·m/rad，根据文献[14]中对节点的划分，泰姆科节点属于半刚性节点的范畴．1.4 假定节点为刚接情况时结构的稳定性分析1.4.1 穹顶结构特征值屈曲分析针对铝合金穹顶结构在ANSYS有限元分析软件中建立节点为完全刚接的模型，选用Beam188梁单元模拟穹顶中杆件．对穹顶结构进行线性的特征值屈曲分析，在这个分析中将结构考虑为理想弹性完善结构，得到结构的前6阶模态如图10所示，各个模态所对应的屈曲荷载特征值如表1所示．由于穹顶结构自身的对称性，各阶模态的整体变形对称，从图10可看出结构1阶模态为结构下部出现环形屈曲，之后几阶模态均为局部屈曲．1.4.2 考虑结构初始缺陷的非线性分析在结构的实际施工过程中，难免会出现一定的安装偏差，造成结构在实际使用中与理想结构存在差异．为了在分析铝合金单层穹顶结构稳定性时考虑结构初始缺陷的影响，根据空间网格技术规程的规定，采用结构线性屈曲分析中得到的第1阶整体屈曲失稳时的模态，缺陷的最大计算值按照网壳跨度的1/300取值(铝合金单层穹顶跨度为95,m，因此初始缺陷最大计算值为0.317,m)．通过运用ANSYS有限元软件对铝合金穹顶结构进行全过程分析，绘制结构位移最大的节点的荷载-位移曲线，如图11所示．从图中可以看出在刚接节点情况下，结构的稳定极限荷载为荷载标准值的5.57倍，满足规程中规定的大于4.2倍荷载标准值的规定.1.5 考虑节点实际刚度时穹顶结构的稳定性分析1.5.1 穹顶结构特征值屈曲分析针对铝合金穹顶结构在ANSYS有限元分析软件中建立考虑节点实际转动刚度的模型，在节点处采用ANSYS中的弹簧单元Matrix27，在分析中先建立穹顶结构模型中关键点及连线；之后，确定模型中的关键点，在节点处需要令同一个坐标点生成多个关键点；通过编程，使得新生成的每个关键点与相应的1个杆件相连；定义弹簧单元的属性，给出6个自由度的转动刚度情况；最后在关键点处形成相应的刚度单元号及节点号，并设置弹簧单元．根据文献[15]中试验得到的泰姆科节点平面内转动刚度(2.73×102,kN·m/rad)，同样对穹顶结构进行线性的特征值屈曲分析，得到结构的前6阶模态，如图12所示，各个模态所对应的屈曲荷载特征值如表2所示．1.5.2 考虑结构初始缺陷的非线性分析在分析考虑泰姆科节点转动刚度模型时，考虑网壳结构几何非线性的情况下，同样采用结构线性屈曲分析中得到的第1阶整体屈曲失稳时的模态，缺陷的最大计算值按照网壳跨度的1/300取值，得到考虑了几何初始缺陷的半刚接节点穹顶结构的竖向位移最大点的荷载-位移曲线，如图13所示．从图中可以看出，在考虑泰姆科节点转动刚度情况下，结构的稳定极限荷载为荷载标准值的4.0倍，略低于规程中规定的大于4.2倍荷载标准值的规定，但基本满足要求．相比于将节点假定为刚接的情况，铝合金单层穹顶结构在考虑了节点转动刚度之后，承载力会有一定程度的降低，说明节点刚度的减弱会导致结构的整体稳定性下降．本文介绍了铝合金单层穹顶结构中常用的泰姆科节点，结合使用泰姆科节点的铝合金单层穹顶实际工程，通过有限元分析得到泰姆科节点平面外的转动刚度，并对比假定节点刚接和考虑节点刚度的两个铝合金单层穹顶结构模型结构的稳定情况，得到如下结论．(1) 通过对泰姆科节点进行精细化分析，得到泰姆科节点的弯矩-转角关系曲线，其属于半刚性节点的范畴．(2) 通过铝合金单层穹顶结构的屈曲分析，可以发现前6阶的模态很相似，各阶的屈曲特征值也比较接近，主要的变形出现在结构下部的几圈杆件．(3) 在考虑节点的实际转动刚度之后，结构的屈曲特征值有所降低，降低约15%,，说明节点刚度对结构的稳定性有一定程度的影响．(4) 在考虑结构的初始缺陷之后，无论是节点假定为刚接的铝合金单层球面穹顶结构，还是考虑节点实际刚度的结构，两者的极限承载力均有明显的降低．节点为刚接情况的穹顶结构模型得到的结构极限承载力荷载因子为5.57，满足规程中大于4.2倍荷载标准值的规定．而考虑节点转动刚度的模型极限承载力荷载因子约为4.0，基本满足规程要求．(5) 建议在实际设计中不仅对铝合金单层穹顶结构进行全过程的稳定性分析，还应考虑节点的实际转动性能．【相关文献】［1］刘锡良. 天津市平津战役纪念馆[C]//空间结构新材料新技术研讨会论文集. 北京：中国土木工程学会，1998. Liu Xiliang. Pingjin Campaign Memorial in Tianjin[C]// Proceedings of New Material and New Technique of Spatial Structure. Beijing：China Civil Engineering Society，1998(in Chinese).［2］韩庆华，芦燕，徐杰. 非落地钢管桁架拱结构稳定性能[J]. 天津大学学报：自然科学与工程技术版，2014，47(11)：979-986. Han Qinghua，Lu Yan，Xu Jie. Stability behavior of unlanding latticed steel tubular arch[J]. Journal of Tianjin University：Science and Technology，2014，47(11)：979-986(in Chinese).［3］ Shiro Kato，Itaru Mutoh，Masaaki Shomura. Collapse of semi-rigidly jointed reticulated domes with initial geometric imperfections[J]. Journal of Constructional Steel Research，1998，48(2/3)：145-167.［4］ Mohammad Reza Chenaghlou. Semi-Rigidity of Connections in Space Structures[D]. Guildford：Department of Civil Engineering，University of Surrey，1997.［5］张竟乐，赵金城，许洪明. 单层网壳板式节点的刚度分析[J]. 工业建筑，2005，35(4)：88-90. Zhang Jingle，Zhao Jincheng，Xu Hongming. Analysis of stiffness of gusset-type joint for single-layer reticulated shells[J]. 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弦支穹顶专项报告

光丘穹顶
世界上第一个弦支穹顶-光球穹顶，该穹顶跨度为 35m，最大高度14m，总质量130t ，上层网壳采用由工字形钢梁组成的联方型网格划分方式。光丘穹顶只在单层网壳的最外层下部组合了张拉整体结构，而且采用了钢杆代替径向拉索，通过对钢杆施加预应力，使结构在长期荷载作用下对周边环梁的作用力为零。环梁下端由 V 形钢柱相连, 钢柱的柱头和柱脚采用铰接形式，从而使屋顶在温度荷载作用下沿径向可以自由变形。
光丘穹顶
聚会穹顶
继光球穹顶之后，1997年3月日本长野又建成了另一个弦支穹顶—聚会穹顶，也由川口卫设计。穹顶跨度为46m，屋盖高度为 16m。整个弦支穹顶支撑在周圈钢柱上，钢柱与下部钢筋混凝土框架连接。
聚会穹顶
天津保税区商务中心大堂屋盖
该穹顶结构跨度35.4m，矢高4.6m；上部单层网壳部分采用联方型网格，杆件全部采用 , 133×6；撑杆采用, 89×4。下部张拉整体部分共布置 5 道，由外及里前两道采用钢丝绳, 6×19，后三道采用钢丝绳, 6×19。沿径向划分为5个网格，外圈环向划分为32个网格，到中心缩减为8个，弦支穹顶周边支承于沿圆周布置的15根钢筋混凝土柱及柱顶圈梁之上。
目前世界上最大跨度的单层网壳是1997年建成的日本名古屋穹顶，建筑直径为229.6m，结构直径为187.2m，采用三向网格，节点为能承受轴力和弯矩的刚性节点。
日本名古屋穹顶
1.3双层网壳
为了解决单层球面网壳的稳定性问题，可通过双层网壳来增加结构的抗弯刚度，与单层网壳相比，双层网壳克服了壳外刚度弱的缺点，其对初始缺陷的影响不再敏感，结构的稳定性得到了较大提高，因而使得结构可以跨越更大的跨度，但是双层网壳杆件稠密，随着跨度的增大，自重会导致周边环梁产生更大的拉力，用钢指标及工程造价较高。