网壳结构在大跨度空间结构中的设计应用

摘要：由于目前建筑的功能性要求空间越来越大，使得网壳结构在大跨度空间结构中得到日益广泛的应用。空间网格结构的设计与施工，目前已经形成成熟的理论体系，随着计算机辅助计算分析能力的不断提高，网壳结构的设计应用将成为现代建筑不可或缺的一部分。本文简要说明了网壳结构的发展现状、常用的计算分析方法，并通过工程实例说明了网壳结构计算分析过程，所得结论对工程的结构的选型有重要的参考价值。

关键词：网壳结构 ；静力计算；稳定计算；有限元分析；技术经济指标

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

网壳结构在大跨度空间结构中得到日益广泛的应用，用于体育场馆、展览馆、大型商场、火车站、飞机库、工厂车间、仓库等各类大、中、小跨度公共建筑和工业建筑，其结构形式多为空间桁架杆件体系或空间梁系组成的网架或网壳，结构材料一般为钢材。网壳类空间结构之所以得到迅速的发展和应用，是由于其具有如下优点：结构组织灵活，建筑造型美观，规律性和节奏感强；结构受力合理，抗震性能优异，分析计算成熟，精确计算有现成的空间桁架位移法程序，设计周期较短；加工制作机械化程度高，有利于工业化、定型化及商品化；用料经济，能用较少的材料实现较大的跨度。[1]

目前国内常用的专业网壳结构计算软件如MSTCAD等，适用于空间网格结构的前处理 、图形处理 、杆件优化设计、球节点设计，能完成各种体型复杂的空间网格结构计算机辅助设计任务[2]。现行的《空间网格结构技术规程》[3]（以下简称“空间网格规程”）规定，对单层网壳以及厚度小于跨度1/50的双层网壳均应进行稳定性计算，其承载力往往由稳定性控制。网壳结构的稳定分析不仅包括临界荷载的确定，还应对其屈曲后性能进行考察，采用考虑几何非线性的有限元方法进行荷载-位移全过程分析是网壳结构稳定分析的有效途径[4]。对于网壳结构的非线性稳定分析，目前国内一般采用通用有限元程序ANSYS进行协同分析，完整地进行网壳的工程设计。本文针对工程实例，以某100m跨度的双层网壳为例，说明采用MSTCAD与ANSYS两种软件协同设计的过程，并进行简单的经济技术指标分析。

1. 工程简介 某封闭料场跨度100m，长度约500m，下部为挡料结构，要求设计上部屋面结构，建议采用弧形屋顶，屋顶净空高度要求不小于24m。

2. 主要计算参数

基本风压0.5KN/㎡，地面粗糙类别A类，

基本雪压0.3KN/㎡，雪荷载准永久系数分区Ⅱ区，

活荷载0.5KN/㎡，

抗震设防烈度7度， 0.1g，第三组，Ⅱ类场地。

温差按 ±30℃

3. 静力计算模型根据工程需要，在跨度方向采用三心圆的结构形式，三心圆半径分别为R1＝23.4m，R2＝67.4m，R3＝23.4m，跨度较大，矢高取用30.5m，网壳厚度拟取3.0m，满足规范构造要求。固定铰支座在长度方向采用8.0m间距，结构三维计算分析模型如右图所示：

4. 计算分析

计算分析采用规范规定的以下12种组合

=======工况组合=======

(1) 1.35静

(2) 1.20静 + 1.40活1

(3) 1.00静 + 1.40风1

(4) 1.35静 + 0.98活1

(5) 1.20静 + 1.40活1 + 0.81

(6) 1.20静 + 1.40温(+30)

(7) 1.20静 + 1.40活1 + 1.40温(+30)

(8) 1.20静 + 1.40温(-30)

(9) 1.20静 + 1.40活1 + 1.40温(-30)

(10) 1.20静 + 1.30震力

(11) 1.20静 + 0.60活1 + 1.30震力

(12) 1.00静 + 1.00活1

采用MTSCAD的杆系单元建模并进行结构静力计算，采用构件的满应力设计。结构分析计算的理论依据为有限元法空间网格的静力计算基本方程：

KU＝F

式中：K－空间网格结构总弹性刚度矩阵；

U－空间网格结构节点位移向量；

F－空间网格结构节点荷载向量。

分析结果图形表示如下：

图2-1：结构的单元应力图 图2-2：结构的节点位移图

计算结果满足规范要求。

5. 网壳稳定性分析

几何非线性的有限元法计算网壳稳定性，采用以下迭代方程：

式中：－t时刻结构的切线刚度矩阵；

－当前位移迭代增量；

－t+时刻外部所施加的节点荷载向量；

－时刻相应的杆件节点内力向量。

本文中略去初始几何缺陷分析。

用MSTCAD软件输出ANSYS接口数据文件，选择相应的工况进行分析，本处以工况2举例，在ANSYS的前处理器preprocessor中对导入的模型数据进行转化，输入材料的物理参数，根据需要指定单元材料。在ANSYS的求解器solution中定义温度、重力等相关参数，选择相应的计算预应力选项后进行有限元静力分析。

计算分析完毕后，进入ANSYS的后处理器general postproc，校核该工况下结构的计算结果。 在general postproc中选择Z向位移Z-component of displacement，得到网壳结构的Z向位移图，图形显示与MST位移图吻合，计算数据摘录如下：

DMX＝0.196262

SMN＝0.01404

SMX＝0.196233

在ANSYS的后处理器general postproc中选择应力图，得到网壳中杆单元的应力图elementtable.，图形显示与MST应力图吻合，计算数据摘录如下：

DMX=0.196262

SMN=-147687

SMX=167032

其它工况重复以上过程，相关结果略，经计算分析本结构满足设计要求。

6. 结论

本文针对工程实际，以100m跨度的双层网壳为例，在利用MSTCAD软件完成网壳静力计算的基础上，又采用ANSYS进行了非线性稳定分析，并对两种软件的计算结果进行比较，分析结果主要有以下几个方面：最大应力、位移、杆件截面、用钢量等。通过对两种软件计算结果的对比，结果一致表明计算过程准确，模型合理。本次分析计算的杆件的最大轴力为-1296KN，最大应力为-182MPa最大位移为跨度的1/249，最大杆件截面为φ245×16mm，采用了8种规格的杆件，按投影面积的每平方米用钢量为54 kg/㎡，展开面积每平方米用钢量为35 kg/㎡。计算结果表明，该网壳结构构件配置均匀，具有良好的技术经济指标，是一种较好的结构选型方案。

参考文献

[1]赵鹏飞， 刘枫 . 空间网格结构技术规程 理解与应用 （按JGJ7-2010）[M].北京：中国建筑工业出版社 ，2013。

[2] 杜文风 . 网架 网壳设计实例与解析 [M]. 北京：中国电力出版社， 2012。

[3]JGJ7-2010 . 空间网格结构技术规程 [S].,北京 ：中国建筑工业出版社， 2010。

[4]黄斌，毛文筠 . 新型空间钢结构 设计与实例 [M],北京：机械工业出版社，2009