網殼結構分析方法綜述

1網殼結構的發展在過去的20年中，不同類型的空間結構在美國、日本、歐洲和其他發達國家迅速發展。建筑物的跨度和規模越來越大,目前,尺度達150m以上的超大規模建筑已非個別,結構形式豐富多彩,采用了許多新材料和新技術,發展了許多新的空間結構形式。可以這樣說,大跨空間結構是最近二十多年來發展最快的結構形式,網殼結構是其中之一。網殼結構是將桿件沿著一定的曲面有規律地布置而成的空間結構體系,兼具桿系和殼體的性質,以“薄膜”作用為主要受力特征,也就是結構桿件的軸向力承受大部分的荷載作用。網殼的主要優點是自重輕、受力合理、結構剛度好、材料耗量低、覆蓋跨度大、桿件類型單一、施工速度快、建筑造型美觀、穩定性好,因而得到了廣泛應用。2網絡外殼結構分析2.1結構有限元分析方法網殼結構分析的目的是為了計算結構在荷載作用和邊界約束條件下的變形和桿件的內力,以及提供桿件、節點設計和結構變形控制的數值依據。對于網殼結構來說,結構分析的計算模型根據其受力特點和節點構造形式通常可分為兩種:空間梁單元模型和空間桿單元模型。單層的網殼結構采用梁單元模型,雙層的網殼結構采用桿單元模型。網殼結構的分析方法常用的有兩種:基于連續化假定的擬殼法和基于離散化假定的有限元法。在計算機還不發達的早期,計算網殼結構時,往往將離散的網殼等代為連續體結構進行分析計算,也就是采用擬殼法。擬殼法是一種從離散等代為連續,再從連續回代離散的分析方法,在等代與回代的過程中,便產生了誤差,因此該法是近似的計算方法,只能近似地計算出桿件的內力,節點的位移和結構的穩定性,而且往往也只能適用于某種特定的結構形式。所以這種方法是有較大的局限性的。但在工程應用中,有時候這種近似的方法卻是很方便的。采用擬殼法進行結構分析時可以運用已比較成熟的薄殼理論即使不依靠計算機也能近似求出網殼的內力,而且采用擬殼法更利于設計人員理解網殼結構的受力性能。隨著計算機的發展和廣泛應用,非線性有限元法開始興起并不斷完善,近二十余年來,這一領域的研究工作十分活躍。有限元法是首先將結構離散成各個單元,在單元基礎上建立單元節點力和節點位移之間關系的基本方程式,以及相應的單元剛度矩陣,然后利用節點平衡條件和位移協調條件建立整體結構節點荷載和節點位移關系的基本方程式,及其相應的總體剛度矩陣,通過引入邊界約束條件修正總體剛度矩陣后求解出節點位移,再由節點位移計算出構件內力。有限單元法的計算分析不受結構形狀、邊界條件和荷載情況的限制,但是計算分析過程需要借助計算機來完成。許多大型的和特殊形式的新穎的空間結構都能用計算機程序進行分析計算,尤其是當計算的是由成千上萬根桿件和結點組成的大型空間網格結構,有限元分析方法的優越性就顯得更為突出。離散化的有限元方法簡單,但未知量多、存儲容量大、費時。2.2擬殼法類型網殼結構計算的另一個關鍵問題是網殼結構的穩定性,這對于單層網殼來說尤為重要。網殼的穩定性有兩種分析方法,線性分析方法和非線性分析方法。傳統的線性分析方法是把結構的強度和穩定問題分開來考慮的。事實上,從非線性分析的角度來考察,結構的穩定問題和強度問題是相互聯系在一起的。結構的荷載—位移全過程曲線可以準確地把結構的強度、穩定性以及剛度的整個變化歷程表示得清清楚楚。在網殼結構穩定性問題上,在非線性有限元分析尚未充分實現的時候,人們普遍采用擬殼法來分析。擬殼法的主要優點是能提供一個簡單而實用的穩定公式。但連續化殼體穩定性理論是一個本身并未完善,而且缺乏統一理論模式的理論,所以其必需是針對不同的問題假定不同的可能失穩形態,做出相應的假設,從而得到事實上僅對少數特定的殼體才能得到的實用穩定公式,此外所討論的殼體一般是等厚的和各向同性的,無法反映實際網殼結構的不均勻構造和各向異性的特點,這就給這種方法帶來很大的局限性。在許多重要的場合,由擬殼法計算的結構都還需要用模型試驗來檢驗,并加以比較。隨著計算機技術的發展和數值求解方法的深入研究,人們開始積極地開展以非線性全過程分析為基礎的網殼穩定性研究。非線性有限元分析方法也逐漸成為結構穩定性分析的有力工具。在這方面,由Ricks和Wempnor提出并由Crisfield和Ramn等人改進的各種弧長法為結構的荷載—位移全過程路徑跟蹤提供了迄今為止仍然是最有效的計算方法。當考察初始缺陷和荷載分布方式等因素對實際網殼結構穩定性能的影響時,也均可從全過程曲線的規律性變化中進行研究。目前網殼結構穩定的設計研究趨勢有兩個方向,一是間接引用理論研究成果,從設計過程的各個方面進行深入的研究,通過逐個消除誤差確保整體設計的安全性和合理性;二是直接引用理論研究成果,對結構設計體系進行雙非線性分析和計算機仿真,從分配上確保穩定設計的安全性和合理性,這是一種全新的設計方向,在計算機軟件技術高度發展的將來,是完全可能的。應該說,現在已完全有可能對各種復雜網殼結構進行完整的全過程分析,并且較精確地確定其穩定性極限承載力。3網殼結構體系不斷地創新,在提出并改由于網殼結構的受力性能與結構形體之間存在緊密的內在聯系,又由于計算技術、新型材料和空間結構分析理論的發展,空間結構得到了迅速的發展,網殼結構體系也得以不斷地創新。雜交結構、開合結構的興起,開創了空間結構的新局面。3.1合伙屋蓋的分類開合結構(RetractableStructures)是指部分或整體屋蓋結構可以在短時間內移動或伸縮,從而使建筑物可以在屋蓋敞開與關閉的兩種狀態下使用。根據屋面的運動方式,開合屋蓋主要分為平行移動式、繞軸轉動式、折疊方式和組合方式等四種類型。平行移動式又可分為水平移動和空間移動兩種,繞軸轉動式又可分為繞豎直軸轉動和繞水平軸轉動兩種。目前世界上已建成的大型開合結構都引起了人們的矚目,有的已經成為其所在城市的標志。其中有代表性的是,1961年建成的世界上第一座大型開合結構美國匹茲堡會堂;1993年建成的日本福崗體育館;2001年建成的日本大分縣綜合體育場;將于2006年竣工的開創我國開合結構之先河的南通體育場。3.2空間鋼結構的發展雜交結構(HybridStructures)是近年來研究得較為成功的結構,也是今后空間鋼結構發展和創新的重要途徑。雜交結構的最大優點是綜合利用各種不同結構在性能、綜合經濟指標等方面的優勢;豐富建筑造型,有效利用建筑空間;改善總體力學性能等。在網殼結構體系中的雜交體系有:網殼—懸索體系、網殼—網架體系、網殼—拱體系、網殼—薄膜體系等。3.3網殼結構的由來張弦結構是一種由剛性構件上弦、柔性拉索下弦、中間連以撐桿形成的混合結構體系。當張弦結構的上弦為空間受力的網殼結構時,即構成弦支穹頂(Suspen-dome)結構體系,它最早由日本川口衛教授于1993年提出。其基本思想是將穹頂的柔性上弦用剛性的單層網殼替代,形成了一種索承網殼式的空間張弦結構體系。如1994年建成的世界上第一座弦支穹頂日本東京光球穹頂;2003年建成的國內第一次應用的可“呼吸”的標志性建筑天津博物館。3.4結構體系的特征張拉整體體系是一組不連續的壓桿與一組連續的受拉單元組成的自支承、自應力的空間平衡體系。這種結構體系的剛度由受拉索和受壓單元之間的平衡預應力提供,在施加預應力之前,結構幾乎沒有剛度,并且初預應力的值對結構的外形和結構剛度的大小起著決定作用。韓國體操館是世界上第一個采用張拉整體概念的大型工程。網殼結構形式、體系在外形上突破的同時也應當遵循下列幾個基本的要求:1)力求新穎的結構形式與建筑功能協調、統一;2)建筑學與結構力學、優美的結構形體與受力性能之間的合理、一致;3)結構形體與建筑技術(包括構造、材料、施工安裝技術等)同步發展。只有符合上面這幾個要求,網殼結構才具有生命力,才能在大跨空間結構的發展過程中起到某種典型作用并得到穩步的發展。4網殼結構研究的方向網殼結構由30年前還是一種被認為是有興趣的但仍屬陌生的非傳統的結構,發展到今天已被全世界廣泛接受的空間結構,充分表明這是一類很有活力、適應性強、方興未艾的空間結構。網殼結構大規模的工程應用,對科學研究提出了豐富的研究課題,并提出了更高的要求。由目前網殼結構研究與工程應用情況來看,以下幾方面是網殼結構研究的主要方向:1)關于網殼結構的靜力穩定性的研究已比較成熟,然而大跨度的網殼結構的彈塑性靜力穩定性問題還需要進一步研究。2)關于空間結構的專用軟件不少,但適用于工程設計人員專用的網殼結構設計軟件尚有待進一步開發。3)體形復雜的大跨度的網殼結構對風荷載比較敏感,故有必要對這些網殼進行風振動響應分析。4)建筑與結構的設計研究人員應配合起來,總結經驗,充分應