两种预应力空腹网壳结构的静力特性分析
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自重 的影 响 。 矩阵 ：
承 载力 ； 以空腹 网壳结 构 作 为基 础 结 构 ， 引入 预 应 力体系， 便得 到 了预 应力 空 腹 网壳 结 构 ， 应 力 的 预 引 入 可 以有 效地 削减 结 构杆件 内力值 ， 将荷 载不 利 内力 形 态 （ 矩 力 ） 换 为 有 利 内力 形 态 （ 向 弯 转 轴 力 ）组 成 以轴拉 、 压 杆 件 为 主 的先 进 结 构 体 系 ， ， 轴 另外 ， 预应 力可 以抵 消空 腹 网壳结 构 支座位 置 强大 的水平 推力 ， 可 以有效 提 高结构 刚 度 。 并
第２ ９卷 第 １ 期 ２１ ０２年 ２月
贵州大学学报 （ 自然科学版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｕ ｈｕＵ ｉ ｒｉ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎ ｅ） ｏ ｒａ ｏ ｉ ｏ ｎ ｅｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃｓ Ｇ ｚ ｖ ｔ ｕ ｅ
Ｖ０ ．２９ Ｎｏ． １ １ Ｆｅ ｂ．２０１ ２
有 单层 网壳 的美 观 又 有 双 层 网壳 良好 的稳 定 性 和
梁、 索单 元 的结 点是 铰 接 的 ； 拉 索 在 整 个 工 作 过 ② 程 中处 于受拉 状 态 ， 能 承 受 压 力 或 弯矩 ； 拉 索 不 ③ 始 终处 于线 弹性 工作 阶段 ， 即应 力 一应 变关 系符 合 胡 克定 律 ； 荷 载 均作 用 在 节 点 上 ， 索 考 虑 索 段 ④ 拉
拉索单元 在整体 坐标 系 中的有 限元 基本 方程 为
基金项 目：贵州省优 秀教育科技 人才省长专项 基金项 目（ ０ ３ １ ） 贵州省教育厅 自然科学研究项 目（ ０ ８０ １ Ｚ６０ １ ， ２０ ０ ）
作者简 介 ： 夏威夷 （ ９ ８ ， ， １７ 一） 男 山东济南人 ， 硕士 ， 研究方向 ： 组合结构 ， ｍ ｉ ｘ ｙ２ １ ６ ．ｏ ． Ｅ ａ ： １ １＠１ ３ ｃｍ ｌｗ
本 文设 计 了两 种 形 式 的 预 应 力 空 腹 网 壳 一
拉索单元（ １ 在整体坐标 系中的弹性 刚度 图 ）
—％ ． 。．．．， ．．．．。 ．．． Ｌ ．．。． 一 ．．．． ．。． ． ．． ． ．
对
称
［ Ｌ ＝ Ｋｒ］
Ｃ
Ｃ Ｃｖ
Ｃｖ
预应力 柱 面空 腹 网壳与 预应 力双 曲空 腹扁 网壳 ， 依 靠 大 型有 限元 软 件 Ａ Ｓ Ｓ对 其 进 行 静 力 分 析 ， ＮＹ 研 究 其静 力性 状 。
置 在 短跨 方 向的 相 对 支 座 间 ， 边 跨 各 设 一 道 ， 两 选
２ 预 应 力 柱 面 空腹 网 壳静 力分 析
２ １ 算 例 介绍 ．
用 钢 索 ７× ７西５， 面 面 积 ９ ６ １ ， 拉 强 度 为 截 ．２ＣＩ 抗 Ｔ
１６ ａ 抗 拉 极 限 承 载力 Ｐ ＝１ ８ ． ２ｋ 初 始 ８ ０ ＭＰ ， ７ ９ ３ Ｎ，
中图分 类 号 － Ｕ ５ Ｔ ３６ 文献标 识码 ： Ａ
空 腹 网壳结 构是 根据 格构 式 压杆 的工作 原理 ， 将单 层 网壳 的杆 件 用 格 构 式 压杆 代 替 得 到 的一 种 新 型 网壳结 构 ， 该类 结构 在力 学性 能方 面是 一种 介 于 单层 网壳 与 双层 网壳 之 间的特 殊结 构形 式 ， 既 它
预 应力 空 腹 柱 面 网 壳 ， 用 矩 形 底 面 ， 长 跨 采 其 口与 短跨 ｂ 别 为 ５ 和 ３ 矢 跨 比．／ｂ＝１ 分 ０ｍ ０ｍ， 厂 ／ ６， 矢 高取 ５ｍ， 一跨 空 腹拱 均 在 圆 （ 故 每 Ｙ一１ ） ５ ＋ 。 ＝Ｒ （ 径 Ｒ ＝ ５ｍ） 截 取 ， 半 ２ 上 网格 正交 ， 网格 尺 寸 （ 平 投 影 ） ２５ ｍ ×２５ ｍ， 壳 厚 度 取 水 取 ． ． 网 ０ ５ｍ． 件选 用 Ｑ ４ ． 杆 ３ ５方 钢管 （ 口 ” 以“ 表示 ）具 体 ，
ｆ
ｃ ｃ ｚ ｃ ｃｚ ｃFra bibliotek 晟ｆ
１ 有 限 元 理 论
基于 梁 一 杆 系有 限单 元 法 ， 腹 网壳结 构 所 空
有 杆 件选 用空 间梁 单 元 Ｂ ａ ４， 件 之 间 刚 接 ； ｅｍ 杆 拉 索 则选 用 三维 杆单 元 Ｌｎ ｌ ， 、 之 间铰 接 ； ｉｋ Ｏ 梁 索 需要 注意 的是 ， 由于两 种 单 元 节 点 自 由度 的不 同 ， 当其
通讯作者 ： 黄 勇 ，ｍａ ：ｙ８ ５ ＠ｙｈｏ Ｃｌ． ｎ Ｅ ｉ ｈ １１ ３ ａｏ ．Ｏ１ｃ ． ｌ ／
第１ 期
夏威 夷 等 ：两种 预应力空腹 网壳结构的静力特性分 析
・ ７・ ９
［ 亿］ ｝ ＝ ｛ Ｋ ｛ Ｆ｝
撑 ， 用支 座 间布 索 ， 见 图 ２ 三 道 预 应力 拉索 设 采 详 ．
文章编号
１０ ５ ６ （０ ２ ０ ０９ ０ ００— ２９ ２ １ ） １— ０ ６— ５
两 种 预 应 力 空 腹 网 壳 结 构 的 静 力 特 性 分 析
夏威夷 ， 黄 勇
（． １ 中铁建工 集团有 限公 司， 重庆 ４ ０ １ ；． ０ ０ ４ ２ 贵州大学土木建筑工程学院 ， 贵州 贵 阳 ５ ０ ０ ） ５ ０ ３
式 中 ： ＝ （ｊ ） ｆ ｃ （ 一Ｙ）ｌ ｃ （ ｃ ｘ — ／ ； ＝ ／ ； ：＝
一
ｚ） ｌ ／
拉索单元基本假定 ： ①拉索是理想柔性 的， 拉 索在 空 腹 网壳 上 的 锚 固节 点 是 个 空 间 铰 节 点 ， 即
收 稿 日期 ： ０ １—１ ２ ２１ ２— ０
ｙ
共用 节点 时 ， 必须 对其 节点 自由度进 行耦 合 ； 另外 ， 为保 证拉 索 沿 轴 向 可 以伸 缩 （ 在 支 座 约 束 方 面 即
１ ．
图 １ 拉 索 单 元
配合拉索 的轴 向拉伸 ） 需解 除相应 的水平约束 ， ，
保 证 拉索 在轴 向可 自由滑 动 。
摘 要 ： 应 力空腹 网壳结构 就是 在 空腹 网 壳结构 的基 础 上 引入 预 加 应 力体 系而得 到 的一 种 性 预 能更优 的 结构 形式 。本 文利 用基 于 离散 化假 定 的有 限元理 论 ， 两种预 应 力 空腹 网壳 结构 进 行 对 静 力 分析 ， 究预 应 力 的施加 对 两种 空腹 网 壳结构 内力及 变形 方 面的影 响 。 研 关 键词 ： 应 力空腹 网壳 ； 限元理 论 ； 力分析 预 有 静
承 载力 ； 以空腹 网壳结 构 作 为基 础 结 构 ， 引入 预 应 力体系， 便得 到 了预 应力 空 腹 网壳 结 构 ， 应 力 的 预 引 入 可 以有 效地 削减 结 构杆件 内力值 ， 将荷 载不 利 内力 形 态 （ 矩 力 ） 换 为 有 利 内力 形 态 （ 向 弯 转 轴 力 ）组 成 以轴拉 、 压 杆 件 为 主 的先 进 结 构 体 系 ， ， 轴 另外 ， 预应 力可 以抵 消空 腹 网壳结 构 支座位 置 强大 的水平 推力 ， 可 以有效 提 高结构 刚 度 。 并
第２ ９卷 第 １ 期 ２１ ０２年 ２月
贵州大学学报 （ 自然科学版 ）
Ｊｕｎ ｌ ｆ ｕ ｈｕＵ ｉ ｒｉ Ｎ ｔｒｌ ｃ ｎ ｅ） ｏ ｒａ ｏ ｉ ｏ ｎ ｅｓｙ（ ａ ａ Ｓｉ ｃｓ Ｇ ｚ ｖ ｔ ｕ ｅ
Ｖ０ ．２９ Ｎｏ． １ １ Ｆｅ ｂ．２０１ ２
有 单层 网壳 的美 观 又 有 双 层 网壳 良好 的稳 定 性 和
梁、 索单 元 的结 点是 铰 接 的 ； 拉 索 在 整 个 工 作 过 ② 程 中处 于受拉 状 态 ， 能 承 受 压 力 或 弯矩 ； 拉 索 不 ③ 始 终处 于线 弹性 工作 阶段 ， 即应 力 一应 变关 系符 合 胡 克定 律 ； 荷 载 均作 用 在 节 点 上 ， 索 考 虑 索 段 ④ 拉
拉索单元 在整体 坐标 系 中的有 限元 基本 方程 为
基金项 目：贵州省优 秀教育科技 人才省长专项 基金项 目（ ０ ３ １ ） 贵州省教育厅 自然科学研究项 目（ ０ ８０ １ Ｚ６０ １ ， ２０ ０ ）
作者简 介 ： 夏威夷 （ ９ ８ ， ， １７ 一） 男 山东济南人 ， 硕士 ， 研究方向 ： 组合结构 ， ｍ ｉ ｘ ｙ２ １ ６ ．ｏ ． Ｅ ａ ： １ １＠１ ３ ｃｍ ｌｗ
本 文设 计 了两 种 形 式 的 预 应 力 空 腹 网 壳 一
拉索单元（ １ 在整体坐标 系中的弹性 刚度 图 ）
—％ ． 。．．．， ．．．．。 ．．． Ｌ ．．。． 一 ．．．． ．。． ． ．． ． ．
对
称
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预应力 柱 面空 腹 网壳与 预应 力双 曲空 腹扁 网壳 ， 依 靠 大 型有 限元 软 件 Ａ Ｓ Ｓ对 其 进 行 静 力 分 析 ， ＮＹ 研 究 其静 力性 状 。
置 在 短跨 方 向的 相 对 支 座 间 ， 边 跨 各 设 一 道 ， 两 选
２ 预 应 力 柱 面 空腹 网 壳静 力分 析
２ １ 算 例 介绍 ．
用 钢 索 ７× ７西５， 面 面 积 ９ ６ １ ， 拉 强 度 为 截 ．２ＣＩ 抗 Ｔ
１６ ａ 抗 拉 极 限 承 载力 Ｐ ＝１ ８ ． ２ｋ 初 始 ８ ０ ＭＰ ， ７ ９ ３ Ｎ，
中图分 类 号 － Ｕ ５ Ｔ ３６ 文献标 识码 ： Ａ
空 腹 网壳结 构是 根据 格构 式 压杆 的工作 原理 ， 将单 层 网壳 的杆 件 用 格 构 式 压杆 代 替 得 到 的一 种 新 型 网壳结 构 ， 该类 结构 在力 学性 能方 面是 一种 介 于 单层 网壳 与 双层 网壳 之 间的特 殊结 构形 式 ， 既 它
预 应力 空 腹 柱 面 网 壳 ， 用 矩 形 底 面 ， 长 跨 采 其 口与 短跨 ｂ 别 为 ５ 和 ３ 矢 跨 比．／ｂ＝１ 分 ０ｍ ０ｍ， 厂 ／ ６， 矢 高取 ５ｍ， 一跨 空 腹拱 均 在 圆 （ 故 每 Ｙ一１ ） ５ ＋ 。 ＝Ｒ （ 径 Ｒ ＝ ５ｍ） 截 取 ， 半 ２ 上 网格 正交 ， 网格 尺 寸 （ 平 投 影 ） ２５ ｍ ×２５ ｍ， 壳 厚 度 取 水 取 ． ． 网 ０ ５ｍ． 件选 用 Ｑ ４ ． 杆 ３ ５方 钢管 （ 口 ” 以“ 表示 ）具 体 ，
ｆ
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１ 有 限 元 理 论
基于 梁 一 杆 系有 限单 元 法 ， 腹 网壳结 构 所 空
有 杆 件选 用空 间梁 单 元 Ｂ ａ ４， 件 之 间 刚 接 ； ｅｍ 杆 拉 索 则选 用 三维 杆单 元 Ｌｎ ｌ ， 、 之 间铰 接 ； ｉｋ Ｏ 梁 索 需要 注意 的是 ， 由于两 种 单 元 节 点 自 由度 的不 同 ， 当其
通讯作者 ： 黄 勇 ，ｍａ ：ｙ８ ５ ＠ｙｈｏ Ｃｌ． ｎ Ｅ ｉ ｈ １１ ３ ａｏ ．Ｏ１ｃ ． ｌ ／
第１ 期
夏威 夷 等 ：两种 预应力空腹 网壳结构的静力特性分 析
・ ７・ ９
［ 亿］ ｝ ＝ ｛ Ｋ ｛ Ｆ｝
撑 ， 用支 座 间布 索 ， 见 图 ２ 三 道 预 应力 拉索 设 采 详 ．
文章编号
１０ ５ ６ （０ ２ ０ ０９ ０ ００— ２９ ２ １ ） １— ０ ６— ５
两 种 预 应 力 空 腹 网 壳 结 构 的 静 力 特 性 分 析
夏威夷 ， 黄 勇
（． １ 中铁建工 集团有 限公 司， 重庆 ４ ０ １ ；． ０ ０ ４ ２ 贵州大学土木建筑工程学院 ， 贵州 贵 阳 ５ ０ ０ ） ５ ０ ３
式 中 ： ＝ （ｊ ） ｆ ｃ （ 一Ｙ）ｌ ｃ （ ｃ ｘ — ／ ； ＝ ／ ； ：＝
一
ｚ） ｌ ／
拉索单元基本假定 ： ①拉索是理想柔性 的， 拉 索在 空 腹 网壳 上 的 锚 固节 点 是 个 空 间 铰 节 点 ， 即
收 稿 日期 ： ０ １—１ ２ ２１ ２— ０
ｙ
共用 节点 时 ， 必须 对其 节点 自由度进 行耦 合 ； 另外 ， 为保 证拉 索 沿 轴 向 可 以伸 缩 （ 在 支 座 约 束 方 面 即
１ ．
图 １ 拉 索 单 元
配合拉索 的轴 向拉伸 ） 需解 除相应 的水平约束 ， ，
保 证 拉索 在轴 向可 自由滑 动 。
摘 要 ： 应 力空腹 网壳结构 就是 在 空腹 网 壳结构 的基 础 上 引入 预 加 应 力体 系而得 到 的一 种 性 预 能更优 的 结构 形式 。本 文利 用基 于 离散 化假 定 的有 限元理 论 ， 两种预 应 力 空腹 网壳 结构 进 行 对 静 力 分析 ， 究预 应 力 的施加 对 两种 空腹 网 壳结构 内力及 变形 方 面的影 响 。 研 关 键词 ： 应 力空腹 网壳 ； 限元理 论 ； 力分析 预 有 静