网壳结构分析方法综述

网壳结构分析方法综述

1网壳结构的发展在过去的20年中，不同类型的空间结构在美国、日本、欧洲和其他发达国家迅速发展。建筑物的跨度和规模越来越大,目前,尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别,结构形式丰富多彩,采用了许多新材料和新技术,发展了许多新的空间结构形式。可以这样说,大跨空间结构是最近二十多年来发展最快的结构形式,网壳结构是其中之一。网壳结构是将杆件沿着一定的曲面有规律地布置而成的空间结构体系,兼具杆系和壳体的性质,以“薄膜”作用为主要受力特征,也就是结构杆件的轴向力承受大部分的荷载作用。网壳的主要优点是自重轻、受力合理、结构刚度好、材料耗量低、覆盖跨度大、杆件类型单一、施工速度快、建筑造型美观、稳定性好,因而得到了广泛应用。2网络外壳结构分析2.1结构有限元分析方法网壳结构分析的目的是为了计算结构在荷载作用和边界约束条件下的变形和杆件的内力,以及提供杆件、节点设计和结构变形控制的数值依据。对于网壳结构来说,结构分析的计算模型根据其受力特点和节点构造形式通常可分为两种:空间梁单元模型和空间杆单元模型。单层的网壳结构采用梁单元模型,双层的网壳结构采用杆单元模型。网壳结构的分析方法常用的有两种:基于连续化假定的拟壳法和基于离散化假定的有限元法。在计算机还不发达的早期,计算网壳结构时,往往将离散的网壳等代为连续体结构进行分析计算,也就是采用拟壳法。拟壳法是一种从离散等代为连续,再从连续回代离散的分析方法,在等代与回代的过程中,便产生了误差,因此该法是近似的计算方法,只能近似地计算出杆件的内力,节点的位移和结构的稳定性,而且往往也只能适用于某种特定的结构形式。所以这种方法是有较大的局限性的。但在工程应用中,有时候这种近似的方法却是很方便的。采用拟壳法进行结构分析时可以运用已比较成熟的薄壳理论即使不依靠计算机也能近似求出网壳的内力,而且采用拟壳法更利于设计人员理解网壳结构的受力性能。随着计算机的发展和广泛应用,非线性有限元法开始兴起并不断完善,近二十余年来,这一领域的研究工作十分活跃。有限元法是首先将结构离散成各个单元,在单元基础上建立单元节点力和节点位移之间关系的基本方程式,以及相应的单元刚度矩阵,然后利用节点平衡条件和位移协调条件建立整体结构节点荷载和节点位移关系的基本方程式,及其相应的总体刚度矩阵,通过引入边界约束条件修正总体刚度矩阵后求解出节点位移,再由节点位移计算出构件内力。有限单元法的计算分析不受结构形状、边界条件和荷载情况的限制,但是计算分析过程需要借助计算机来完成。许多大型的和特殊形式的新颖的空间结构都能用计算机程序进行分析计算,尤其是当计算的是由成千上万根杆件和结点组成的大型空间网格结构,有限元分析方法的优越性就显得更为突出。离散化的有限元方法简单,但未知量多、存储容量大、费时。2.2拟壳法类型网壳结构计算的另一个关键问题是网壳结构的稳定性,这对于单层网壳来说尤为重要。网壳的稳定性有两种分析方法,线性分析方法和非线性分析方法。传统的线性分析方法是把结构的强度和稳定问题分开来考虑的。事实上,从非线性分析的角度来考察,结构的稳定问题和强度问题是相互联系在一起的。结构的荷载—位移全过程曲线可以准确地把结构的强度、稳定性以及刚度的整个变化历程表示得清清楚楚。在网壳结构稳定性问题上,在非线性有限元分析尚未充分实现的时候,人们普遍采用拟壳法来分析。拟壳法的主要优点是能提供一个简单而实用的稳定公式。但连续化壳体稳定性理论是一个本身并未完善,而且缺乏统一理论模式的理论,所以其必需是针对不同的问题假定不同的可能失稳形态,做出相应的假设,从而得到事实上仅对少数特定的壳体才能得到的实用稳定公式,此外所讨论的壳体一般是等厚的和各向同性的,无法反映实际网壳结构的不均匀构造和各向异性的特点,这就给这种方法带来很大的局限性。在许多重要的场合,由拟壳法计算的结构都还需要用模型试验来检验,并加以比较。随着计算机技术的发展和数值求解方法的深入研究,人们开始积极地开展以非线性全过程分析为基础的网壳稳定性研究。非线性有限元分析方法也逐渐成为结构稳定性分析的有力工具。在这方面,由Ricks和Wempnor提出并由Crisfield和Ramn等人改进的各种弧长法为结构的荷载—位移全过程路径跟踪提供了迄今为止仍然是最有效的计算方法。当考察初始缺陷和荷载分布方式等因素对实际网壳结构稳定性能的影响时,也均可从全过程曲线的规律性变化中进行研究。目前网壳结构稳定的设计研究趋势有两个方向,一是间接引用理论研究成果,从设计过程的各个方面进行深入的研究,通过逐个消除误差确保整体设计的安全性和合理性;二是直接引用理论研究成果,对结构设计体系进行双非线性分析和计算机仿真,从分配上确保稳定设计的安全性和合理性,这是一种全新的设计方向,在计算机软件技术高度发展的将来,是完全可能的。应该说,现在已完全有可能对各种复杂网壳结构进行完整的全过程分析,并且较精确地确定其稳定性极限承载力。3网壳结构体系不断地创新,在提出并改由于网壳结构的受力性能与结构形体之间存在紧密的内在联系,又由于计算技术、新型材料和空间结构分析理论的发展,空间结构得到了迅速的发展,网壳结构体系也得以不断地创新。杂交结构、开合结构的兴起,开创了空间结构的新局面。3.1合伙屋盖的分类开合结构(RetractableStructures)是指部分或整体屋盖结构可以在短时间内移动或伸缩,从而使建筑物可以在屋盖敞开与关闭的两种状态下使用。根据屋面的运动方式,开合屋盖主要分为平行移动式、绕轴转动式、折叠方式和组合方式等四种类型。平行移动式又可分为水平移动和空间移动两种,绕轴转动式又可分为绕竖直轴转动和绕水平轴转动两种。目前世界上已建成的大型开合结构都引起了人们的瞩目,有的已经成为其所在城市的标志。其中有代表性的是,1961年建成的世界上第一座大型开合结构美国匹兹堡会堂;1993年建成的日本福岗体育馆;2001年建成的日本大分县综合体育场;将于2006年竣工的开创我国开合结构之先河的南通体育场。3.2空间钢结构的发展杂交结构(HybridStructures)是近年来研究得较为成功的结构,也是今后空间钢结构发展和创新的重要途径。杂交结构的最大优点是综合利用各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势;丰富建筑造型,有效利用建筑空间;改善总体力学性能等。在网壳结构体系中的杂交体系有:网壳—悬索体系、网壳—网架体系、网壳—拱体系、网壳—薄膜体系等。3.3网壳结构的由来张弦结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索下弦、中间连以撑杆形成的混合结构体系。当张弦结构的上弦为空间受力的网壳结构时,即构成弦支穹顶(Suspen-dome)结构体系,它最早由日本川口卫教授于1993年提出。其基本思想是将穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代,形成了一种索承网壳式的空间张弦结构体系。如1994年建成的世界上第一座弦支穹顶日本东京光球穹顶;2003年建成的国内第一次应用的可“呼吸”的标志性建筑天津博物馆。3.4结构体系的特征张拉整体体系是一组不连续的压杆与一组连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间平衡体系。这种结构体系的刚度由受拉索和受压单元之间的平衡预应力提供,在施加预应力之前,结构几乎没有刚度,并且初预应力的值对结构的外形和结构刚度的大小起着决定作用。韩国体操馆是世界上第一个采用张拉整体概念的大型工程。网壳结构形式、体系在外形上突破的同时也应当遵循下列几个基本的要求:1)力求新颖的结构形式与建筑功能协调、统一;2)建筑学与结构力学、优美的结构形体与受力性能之间的合理、一致;3)结构形体与建筑技术(包括构造、材料、施工安装技术等)同步发展。只有符合上面这几个要求,网壳结构才具有生命力,才能在大跨空间结构的发展过程中起到某种典型作用并得到稳步的发展。4网壳结构研究的方向网壳结构由30年前还是一种被认为是有兴趣的但仍属陌生的非传统的结构,发展到今天已被全世界广泛接受的空间结构,充分表明这是一类很有活力、适应性强、方兴未艾的空间结构。网壳结构大规模的工程应用,对科学研究提出了丰富的研究课题,并提出了更高的要求。由目前网壳结构研究与工程应用情况来看,以下几方面是网壳结构研究的主要方向:1)关于网壳结构的静力稳定性的研究已比较成熟,然而大跨度的网壳结构的弹塑性静力稳定性问题还需要进一步研究。2)关于空间结构的专用软件不少,但适用于工程设计人员专用的网壳结构设计软件尚有待进一步开发。3)体形复杂的大跨度的网壳结构对风荷载比较敏感,故有必要对这些网壳进行风振动响应分析。4)建筑与结构的设计研究人员应配合起来,总结经验,充分应