上海科技馆网壳结构设计及稳定分析.doc

上海科技馆网壳结构设计及稳定分析第1O卷第1期2008年2月建筑钢结构进展ProgressinSteelBuildingStructuresVo1.10No.1Feb.2OO8上海科技馆网壳结构设计及稳定分析李亚明,周晓峰(上海建筑设计研究院有限公司,上海200041)摘要:J:海科技馆建筑物形体中问有-常显着,突出科技馆建筑鲜明个性的巨型椭圆形玻璃球体,其位置,造型和规模使之成为最具表现力的建筑中庭空间.因此,对科技城椭球体网壳结构的设计及稳定性分析就成为整个结构没计的关键.本文为类似铝合金单层网壳结构的设计提供参考.关键词:铝合金;网壳;稳定分析中图分类号:TU395,TU318.02文献标识码:A文章编号:167l一9379(2008)01-0049-04NonlinearBucklingAnalysisofLatticedStructureUsedinScienceandTechnologyMuseumofShanghaillYaruingZHOUXiaofeng(ShanghaiInstituteofArchitectural1)esign>Research,Shanghai200041,China)IIYaming:IAbstract:Inthispaper,thedesignprocedureofahugesinglelayerellipsoidaldomeinScienceandTechnologyMuseumofShanghaiispresentedindetail.Usingnonlinearfiniteelementmethod,theeginbucklingofthissinglelayerellipsoidaldomeisanalyzedandequilibriumpathistracedwithregardtotheinitialgeometricimperfectionbycylindricalarclengthmethod.Somevaluableconclusionsareobtained,whichnotonlyprovidetheoreticbasisforreasonabledesignofthesuperhighrisebuildings,butalsohelptoimprovecurrentdesigncodes.Keywordsaluminumalloy;latticedstructure;nonlinearbuckling1网壳结构的强度校核1.1结构概况科技馆椭圆形球体结构单层网壳的长轴长67m,短轴长5lm,椭球体为沿椭圆平面长轴旋转体,削去下半部分而成.球高42.2m.球体两侧各开有9m宽,l6m高的大门洞,端部有个9m宽,5m高的小门洞.球体下端支座分成两个标高,分别在首层及地下一层平面,其三维图见图l.网壳结构采用联方型与凯威特型相结合的型式.为满足覆盖玻璃的尺寸要求,三角形网格的边长尺寸在2.3m左右.材料为铝合金型材6061-T6,杆件断面为H型,高254mm,宽158mm,172mm,215mm三种,节点形式为板式节点(见图2),板平面为圆盘形,直径分别为收稿日期:200706O8;收到修改稿日期:200709O5作者简介:400mm,450mm,紧固螺栓为305系列不锈钢,紧固螺帽为6061热处理铝合金.图1科技馆椭球网壳结构三维图李亚明(1960),男,教授级高级工程师.主要从事大型复杂结构的设计,研究.E-mail:I.iymsiadr.corn.en.周晓峰(1973一),男,3-学博士,高级3-程师.主要从事大跨结构设计.50建筑钢结构进展第1O卷图2网壳板式节点详图12支承条件科技馆网壳结构支座条件见图3.本文的安全分析对三种支承形式下的网壳结构在不同荷载作用下进行.根据支承结构的实际构造,推算弹性支座的三向刚度.三种支承形式分别为铰支,固支和弹性支座.图3科技馆网壳支座布置图13荷载和作用的确定本分析计算荷载及作用为:竖向荷载包括1kN?m恒荷载,0.3kN?m活荷载;温度作用范围为30oC;地震作用考虑7度设防烈度,类场地;在南京航天航空大学的NH2低速风洞进行风洞试验,分别模拟均匀流和大气边界层流两种不同的流场,为设计提供全面依据.14竖向荷载作用下分析因洞口对结构整体刚度有较大削弱,选取大门框附近的区域作为结构强度分析的研究对象具有代表性,故选取图1所示结构平面图中部位A的部分构件作为研究对象,其节点编号,杆件编号如图4所示.在竖向荷载作用下,网壳结构的变形图如图5所示,网壳的相应节点位移如表1所示.图4环向,径向杆件及节点编号图表1网壳节点z向位移(cm)图5结构变形节点编号1197473715713711709U铰支支承一2.28212.27482.25942.24082.27122.28722.289623006固支支承一2.22262.214221982.1836221392.22962.23132.2426弹性支承一2.69932.69722.67632.6112.6552.68292.69642.6993注:u为所有节点中竖向位移最大值为研究结构的传力机制,利用有限元软件进行了三种支承条件下的肋向,环向杆件的应力分析,并统计了最大拉(压)应力,这些杆件均在门洞附近.得出的结论是:在正常工作状态下,网壳结构以薄膜应力为主.1.5温度作用分析当升(降)温幅度为30C时,节点三向位移如表2所刀.温度作用分析结论:不同支承方式下,弹性支承的结构变位最大;水平向的变位大于竖向变位;温度变化引起的结构内力,仍然具有薄膜内力特征,具体反映在轴力产生的轴应力与轴力,弯矩产生的合轴应力的比值大于0.6;三种支承方式下,采用弹性支承的结构,应力小于其他两种支承方式的结构;最大拉,压应力均出现在三个门第l期上海科技馆网壳结构设计及稳定分析51框附近,且数值较大,但考虑到不同荷载组合效应不一定大,而且呵通过调整构件截面,或设置支座边桁架等方法加以解决,故温度应力对结构的绝对影响并不大.总的来说,竖向荷载是其主要控制设计荷载.表2铝网壳三向位移(cm)节点编号支承条件位移1197l73715713711709最大位移U一0.o560.1510.340.570.6880.85l1.O12.086铰支支承U一0.0480.0510.05340.05650.060.0630.0672.742U1.8471.841.8181.7831.7331.671.59441.847U一0.0520.1560.3460.524O.695O.861.01782.O872固支支承U0.0380.0410.0440.04730.0510.0540,0582.68U1.931.9211.8971.861.811.7461.671.931U0.0460.2530.443o.620.7910.9551.1132.15弹性支承U,0.02570.0280.()30.0320.0340.0360.0382.57U1.861.8471.821.781.731.6651.61.862网壳结构的地震作用分析本文依据网架结构技术规程采用振型分解反应谱法对结构作常遇地震下的抗震分析.结构前五阶频率如表3所示.网壳的前四阶自振振型如图6所示.表3网壳前5阶自振频率(Hz)第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶铰支支承2.35233.28753.46473.5j743.7624固支支承2.38933.32963.50133.57693.7726弹性支承2.18552.86743.36713.53683.7623(a)第1阶振型(b)第2阶振型(c)第3阶振型(d)第4阶振型图6自振振型图科技馆网壳的自振频率极度密集;网壳采用不同的支承方式时,弹性支承方式下自振频率最小,最大的为固支支承.观察前20阶自振振型,不沦何种支承方式,结构的振型以水平振型为主.考虑三维地震动激励,以前20阶振型参与模态组合(SRSS法).杆件地震轴力系数可以清楚地反映杆件地震轴力SE的分布及其与静轴力SS的关系,即下式:一IsE/.ss,故本文对的分布规律加以表述.结构主要依靠肋向杆件传递地震力,主要反映在肋向杆件地震轴力系数大于相应环向.肋向杆件地震轴力系数如表4所示.地震作用分析结论:科技馆网壳结构的地震动力效应较明显,有些部位杆件的地震内力达到静荷载作用下内力的60左右,可见分析时不可忽略地震作用;三种支承条件相比,在弹性支承条件下,地震效应均大大减小.表4网壳肋向杆件地震轴力系数(%)支承10O07327052667267526982612271927222483铰支7247.342.640.239.6139.67439.554041.7446.57固支59.837.433.3331.64531.65532.2432.5733.235.O839.75弹性3O.728.28529.3729.28.3227.O2225.2523.522.04620.9152建筑钢结构进展第10卷3网壳结构的稳定校核3.1特征值屈曲分析结构线性屈曲性能分析的前三阶特征值如表5所示.3.2非线性屈曲分析本文应用ANSYs软件采用一致缺陷模态法对结构进行非线性屈曲分析,取最大偏差为0.08375m(L/800)的情况作为基本的初始缺陷进行分析.非线性全过程屈曲分析后,对三种支承条件选择两条曲线,即顶点307,1l9在达到临界荷载前的时刻z向位移最大的那个节点荷载比例系数一0二Jj-2.O一15一l005005位移/m的荷载一位移曲线来作为典型代表(仅给出铰支支承情况),如图7所示.表5科技城网壳结构前三阶屈曲模态特征值铰支支承固支支承弹性支承119.8222.77926.71322O.6O823.426.737324.24724.2O626.856荷载比例系数多:-,20:-os一,x-0.60504030201001位移/m(a)节点307Z向荷载一位移曲线(b)节点Il9三向荷载一位移曲线图7在铰支支承条件下部分节点荷载一位移曲线图发生失稳破坏时,结构的临界荷载比例系数如表6所示.稳定性分析结论:在支承条件为铰支或固支时,科技馆网壳结构的失稳形式为局部失稳,而在弹性支承条件下,则为整体失稳;网壳结构的失稳与其应变能形式有关,由于刚度的变化,结构由薄膜力为主的应力状态变换为薄膜力兼有可观的弯曲应力,从而导致结构的失稳.因此,任何导致结构产生弯曲应力的因素都是降低结构极限承表6结构临界荷载比例系数铝网壳铰支支承固支支承弹性支承19.4819.5017.58载力的原因,而初始缺陷的存在都会使结构产生弯曲应力,故初始缺陷不可忽略;因为科技馆