摘要：科技在迅猛发展，社会在不进步，研究静力作用下空间网壳结构的失稳行为，本文以单层凯威特球面网壳结构为研究对象，分析不同矢跨比、初始缺陷等参数对网壳结构在静力作用下其稳定性能的影响规律，这为以后的工程实践提供一定的理论支持。
关键词：网壳结构；荷载位移曲线；有限元
引言
空间结构作为新兴的建筑结构，其优势相对突出:整体性能好、材料强度利用率高且材料可充分回收、施工周期短、抗震性能好、造型美观大方、形式丰富多样等。在大跨度空间结构中，网壳结构由于兼具良好的杆件受力性能和壳体的优美形态，成为当今新式建筑中应用最为广泛的结构形式之一。传统的网壳结构稳定性分析是基于线性方法，其计算结果和实验值有较大出入，随着理论研究的不断深入，不同的计算方法相继被提出，主要有拟壳法、大规模参数分析方法和非线性有限元分析方法。多尺度有限元分析方法由于其在计算精度和计算效率两方面均具有较好的平衡，逐渐被国内研究人员推广运用。深入探讨了多尺度方法在钢框架抗震计算上的适用性问题。通过对钢筋混凝土柱拟静力试验和单调推覆数值试验的模拟与对比分析，验证了多尺度方法的适用性。提出了建立大跨度桥梁多尺度基准有限元模型的方法和多尺度有限元模型修正方法，通过与实测数据比较分析，验证了该多尺度基准有限元模型的合理性。研究了钢结构风致疲劳分析中的多尺度有限元建模技术并验证其合理性。提出了一种考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟方法并结合串联隔震结构振动台试验对多尺度分析方法的有效性进一步验证。以两个单层空间网格结构的典型子结构拟静力试验结果作为校验，探讨了多尺度有限元模型在空间网格结构抗连续倒塌分析中的应用。传统的全梁单元建模在模拟结构的整体变形和破坏倒塌方面具有较好的表现，但受限于单元划分的密度以及粗糙的节点刚接处理形式，难以有效地模拟网壳薄弱节点以及局部构件的力学响应，进而得到的分析结果存在不可忽略的偏差。此外，网壳结构杆件众多，结构复杂，若采用全实体单元的精细化模型，其庞大的计算量将使得迭代计算的收敛和正确性难以保证，计算代价也较为巨大。
1索承网壳的结构组成、成形过程与原理
索承网壳结构体系由一个单层网壳和去掉上层索的张拉整体结构组成,是一种半刚性异钢种预应力空间钢结构.所谓异钢种是指环索采用如钢丝线和钢丝束等高强度钢构件;半刚性是指综合应用了刚性构件抗弯刚度和柔性构件抗拉强度高的优点.张拉整体结构中的撑杆(压杆)和预应力柔性拉索起着提高结构效能的关键作用.从穹顶中心辐射的径向索以及环形的环索连接到悬挂于单层网壳的撑杆的下端,使整个结构成为一个完整的体系.索承网壳结构的成形要经历三种状态:(1)零状态,为体系在无自重、无边界、无预应力作用时的放样状态,此时所有构件内力均为零,该状态下的几何参数就是工厂加工制作构件的依据;(2)位于零状态和初始状态之间的过渡状态.该阶段要进行单层网壳的装配、索内预拉力的施加和整体结构的安装就位.只有对索施加一定的预拉力之后,索承网壳才能成为具有整体刚度的承重结构,因此索内预拉力的施加是其成形的关键环节;(3)初始态,此时索内预拉力施加完毕,结构处于自重和预应力作用下的自平衡状态.该状态确定结构的预应力分布、结构形状和节点坐标,是结构成形后受力分析的初始条件.只有确定结构的初始态后,才能分析结构零状态放样长度及反映结构受荷后的情况.为正确理解该结构的力学性能,必须对预应力张拉过程中的位移、内力(初始态位移、内力)和承受使用荷载作用下的位移、内力(荷载态位移、内力)加以区分.索承网壳结构受力合理.在结构成形时,通过施加合理的预拉力给环索、径向索,使撑杆产生向上的分力,在上层刚性构件中建立起预应力,使结构产生反拱变形.荷载态时,内力通过上层的单层网壳传到撑杆,再通过撑杆传给索.撑杆对网壳起弹性支座作用,大大减少了单层网壳节点的挠度和变形;索产生对支座的反向拉力,使整个结构对边环梁的推力大大减小.索和撑杆使结构的刚度和整体稳定性有很大提高,大大提高了结构效能.
2单层球面网壳结构静力稳定性
2.1半跨均布荷载下的稳定性分析。
K6型单层网壳在半跨荷载作用下的稳定临界承载力比满跨时小得多,但变形却比满跨时大;失稳时结构的最大变形以集中荷载作用时最小,而满跨和半跨均布荷载作用下时变形均很大,而且它们的荷载位移曲线均很平缓,也就是说在载荷还没有达到极值点时,结构的变形已经大大超过了规范中规定的极限承载力的限值,因此此时也已经是超过了极限承载能力了。
2.2结构屈曲分析
结构屈曲是结构材料应力还未达到其极限强度时就失稳的现象。屈曲模态就是结构该状态下位移的变化量，研究结构的屈曲模态，可直观的找出结构薄弱部位及结构各节点的位移增长趋势。屈曲模态包括局部屈曲和整体屈曲，局部屈曲包含杆件屈曲和点状屈曲，条状屈曲则属于整体屈曲的范围。特指值屈曲就是理想网壳结构随着外荷载的不断增大，位移不断增加而出现的不同于初始平衡状态的另外一种平衡状态。结构可能的屈曲形状可以通过特征值屈曲分析的结果来进行预测，也可以计算出屈曲荷载的理论最大值。
2.3薄弱区域节点细化的多尺度模拟
根据全梁单元模型的计算结果，以应力、塑性和位移这3个结构力学性能响应的分布情况来确定结构薄弱区域，选取该区域具有代表性的节点作为重要节点，对其进行精细化建模，采用壳单元类型，应用MPC法来实现跨尺度界面间节点的连接，以此展开结构静力整体稳定性能的多尺度分析。其中，节点细化的多尺度模型几何尺寸、材料参数与全梁单元模型相同，模型共划分为16472个单元和16483个节点，选取该结构的第2圈环杆上部分应力集中较为明显的节点进行壳单元细化处理，薄弱节点采用空心球节点类型，与节点相连的杆件交于球心。由《空间网格结构技术规程》(JGJ7—2010)中规定，空心球壁厚与主钢管的壁厚之比宜取1.5～2.0，空心球外径与主钢管外径之比宜取2.4～3.0，取空心球节点参数为400.0mm×8.0mm，球节点与杆件相接处取长度为0.9D(D为杆件外径)的杆段进行精细化处理，其余区域均采用梁单元建模。
结语
根据以上分析,可得出以下几点结论:(1)在对大型结构进行非线性的平衡路径跟踪分析中,增量步长及收敛控制标准的选取是跟踪成功与否的关键性因素。实践证明,本文所采取的一些措施是非常有效的。对如此大型的网壳结构成功进行多路径跟踪分析,说明所编制的非线性分析程序有很强的适用性。(2)当结构存在多条失稳分枝时,几何缺陷将严重影响结构的实际失稳形式,从而影响结构极限承载能力。因此在网壳设计中,对可能的施工质量应给予充分考虑。(3)单层网壳对荷载分布极为敏感,不同的分布方式对应的失稳形式及极限承载力区别较大。因此,虽然在设计中确定最不利工况有时困难较大,但也是完全必要的。
参考文献
[1]支旭东，张婷，李文亮，等.屋面系统对单层球面网壳稳定性及地震响应的影响研究[J].土木工程学报，2017，50（2）：19-26.
[2]黄卫林.单层网壳静力稳定性研究[J].广东建材，2016，32（4）：42-45.
[3]武云鹏，韩博，曾强，等.结构线性屈曲分析算法研究及工程应用[J].建筑结构，2017，47（18）：105-109.