網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承體系協(xié)同工作研究綜述

王琨

摘要：隨著網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，其力學性能的研究日益受到重視。針對目前分析網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所采用方法中存在的不足，本文綜合論述了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部支承體系協(xié)同工作的研究現(xiàn)狀，對需要進一步開展的工作進行了探討。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)；下部支承體系；協(xié)同工作；綜述

一、引言

隨著生活水平的提高，人們需要有最大自由空間及最小內(nèi)支撐干擾的結(jié)構(gòu)，如體育館、會展中心、飛機場、工業(yè)廠房等來滿足社會活動和生產(chǎn)勞動的需求。由于結(jié)構(gòu)形式的限制，一般平面結(jié)構(gòu)，如剛架、桁架、拱等已很難跨越更大的空間來滿足飛速發(fā)展的社會需求?？臻g結(jié)構(gòu)具有三維空間形狀及三維受力特性，可跨越更大空間，能適應(yīng)不同建筑造型和功能的要求，正好能滿足大跨度建筑結(jié)構(gòu)的要求。

近年來隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，空間結(jié)構(gòu)在形體研究的計算方法上有了新的突破，使形體與受力完美結(jié)合成為可能。但由于幾何形狀的獨特性和約束條件的不規(guī)則，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)需采用三維有限元的分析模型，同時實際設(shè)計中計算設(shè)計軟件等方面存在局限，常常需要將上部網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支承結(jié)構(gòu)分別計算，對結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力和節(jié)點位移產(chǎn)生影響。在強震作用下，下部支承結(jié)構(gòu)振動將對上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件產(chǎn)生較大的地震作用，影響網(wǎng)殼本身的承載能力。

二、研究現(xiàn)狀綜述

在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)力學計算的初始階段，為了簡化計算，常把上部的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部的支承體系分開考慮，大多以簡支或固支邊界來模擬網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的支承情況[1-3]，進行獨立的力學性能計算。但在進行抗震分析時，地震作用通過地面運動傳給支承結(jié)構(gòu)，而后由支承結(jié)構(gòu)傳給網(wǎng)殼，支座剛度對于網(wǎng)殼的桿件內(nèi)力及節(jié)點撓度均會產(chǎn)生影響。若不考慮上部網(wǎng)殼與下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的影響來進行網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)抗震性能的研究，將會與實際情況產(chǎn)生較大的偏差。

近年來，一些研究和設(shè)計已經(jīng)采用彈性支座模型來分析網(wǎng)殼。文獻[4]采用彈性支座模型對單層球面網(wǎng)殼的地震反應(yīng)進行研究，指出支座剛度的改變明顯影響網(wǎng)殼地震內(nèi)力，并建議有下部支承結(jié)構(gòu)時，考慮網(wǎng)殼與支承結(jié)構(gòu)的共同作用。文獻[5]提出了考慮網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的簡化處理方法，將支承結(jié)構(gòu)簡化為彈簧和附加質(zhì)量，進而考慮下部支承結(jié)構(gòu)的彈性效應(yīng)和附加慣性效應(yīng)。建議在進行網(wǎng)殼屋蓋設(shè)計時，不應(yīng)孤立地設(shè)計網(wǎng)殼，而應(yīng)整體地考慮網(wǎng)殼在結(jié)構(gòu)體系中的作用及它與下部結(jié)構(gòu)的相互聯(lián)系。文獻[6]結(jié)合成都雙流機場候機樓屋面大跨度單層柱面網(wǎng)殼，將網(wǎng)殼與頂層支承梁、柱協(xié)同計算，對彈性支承的大跨單層柱面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了分析，認為對于支承于梁、柱上的單層柱殼的穩(wěn)定分析和撓度計算必須與下部支承梁柱系統(tǒng)分析才能得到正確結(jié)果。文獻[7]結(jié)合重慶市袁家崗體育中心跳水、游泳館屋面網(wǎng)殼，探討了不同支座彈性剛度對網(wǎng)殼內(nèi)力的影響，認為支座彈性剛度對網(wǎng)殼桿件內(nèi)力有明顯的影響，在采用彈性支座模型分析網(wǎng)殼時支座檀香剛度的確定非常重要，將直接影響網(wǎng)殼設(shè)計是否安全、經(jīng)濟。

鑒于上部網(wǎng)殼與下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同工作具有重要的工程意義，曹資、張毅剛、薛素鐸等人開始對網(wǎng)殼與下部支承組合體系的協(xié)同工作性能進行了初步的探索和研究。文獻[8]以雙層柱面網(wǎng)殼為研究對象，系統(tǒng)地研究了網(wǎng)殼屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)共同工作問題。通過對固定鉸支座、彈性支座和整體分析模型多個網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)計算結(jié)果的對比，指出若不考慮支承剛度而按固定鉸支承進行分析將使設(shè)計存在極大的安全隱患，而按彈性支座網(wǎng)殼模型進行分析，在內(nèi)力分布規(guī)律和內(nèi)力大小上與整體模型分析都比較接近，論證了以彈性支座模型替代整體分析模型的可行性。文獻[9]對框支式豎向網(wǎng)架結(jié)構(gòu)按照整體模型、固定鉸支承模型和彈性鉸支承模型分別進行了靜力、動力特性及水平地震反應(yīng)的對比分析，指出固定鉸支承模型是不安全的，彈性支承模型是適宜的選擇。

由于很少把網(wǎng)殼與下部支承體系作為一個整體來進行研究，對于剛網(wǎng)殼與混凝土支承體系不同材料組合體系的阻尼比的計算就成了考慮整體協(xié)同工作的空間結(jié)構(gòu)研究發(fā)展所要突破的一大難題。近年來，對不同材料組成的組合結(jié)構(gòu)的阻尼比的研究有了巨大突破【8，10,11】。其中位能加權(quán)平均法就是一種很好的方法之一，能夠簡便合理地計算組合結(jié)構(gòu)的阻尼比。對于位能加權(quán)平均法的詳細算法，可參考文獻[8]，此處不再贅述。

三、需要進一步研究的問題

1.在工程設(shè)計中，由于計算設(shè)計軟件等方面的限制，對于大跨網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)常常需要將上部網(wǎng)殼屋蓋結(jié)構(gòu)與下部支承體系分別計算。下部結(jié)構(gòu)的共同作用改變了網(wǎng)殼桿件受力變化規(guī)律，在工程設(shè)計中應(yīng)充分考慮下部結(jié)構(gòu)共同作用對網(wǎng)殼整體的影響。

2.鋼-混凝土組合體系阻尼比的計算方法仍不成熟，爭論較多，怎樣才能統(tǒng)一計算方法，編寫相對應(yīng)的計算程序來方便工程設(shè)計人員應(yīng)用有待進一步探討。

3.工程設(shè)計現(xiàn)有條件下，大多利用彈性支承模型來替代整體模型進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力的相關(guān)計算，支承剛度的確定關(guān)乎計算結(jié)果是否能與整體模型的結(jié)果一致。對支承剛度的選擇尚需通過大量算例統(tǒng)計分析解決。

參考文獻:

[1] 任小強, 孫建恒, 夏亨燾等. 帶邊桁架

單層柱面異型網(wǎng)殼的靜力特性分析[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學學報, 2002, 25(3)：96-101.

[2] 徐聞, 孫建恒, 姚洪濤等. 單層柱面正交異型網(wǎng)殼的動力特性研究[J]. 河北農(nóng)業(yè)大學學報, 2005, 28(1): 83-88.

[3] 陳聯(lián)盟, 趙陽, 董石麟. 單層脊線式叉筒網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能研究[J]. 浙江大學學報(工學版）, 2004, 38(8): 971-977.

[4] 曹資, 張毅剛. 單層球面網(wǎng)殼地震反應(yīng)特征分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 1998, 7.

[5] 陳應(yīng)波, 陳明軍. 網(wǎng)殼與下部結(jié)構(gòu)協(xié)同工作地研究[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2004, 3, 32(3): 49-53.

[6] 郭海山, 沈世釗, 蔣曉瑩等. 彈性支承單層柱面網(wǎng)殼穩(wěn)定性[J]. 空間結(jié)構(gòu), 2002, (02).

[7] 馮遠, 王立維, 李立達. 重慶市游泳、跳水館網(wǎng)殼設(shè)計[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2004, (07).

[8] 曹資, 張超, 張毅剛等. 網(wǎng)殼屋蓋與下部支承結(jié)構(gòu)動力相互作用研究[J]. 空間結(jié)構(gòu), 2001, 7(2): 19-26.

[9] 張毅剛, 朱虹. 框支式豎向網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)的共同作用與簡化計算[A]. 管結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會論文集, 2001.

[10] 王依群, 李忠獻. 不同阻尼特性材料組合結(jié)構(gòu)的彈塑性動力時程響應(yīng)計算[J]. 地震工程與工程振動, 1999, 6, 19(2): 76-80.

[11] 李田. 結(jié)構(gòu)時程動力分析中的阻尼取值研究[J]. 土木工程學報, 1997, 30(3):68-73.