CN105544725B

CN105544725B - 一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用

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Publication number: CN105544725B
Application number: CN201510828757.4A
Authority: CN
Inventors: 张中昊; 付强; 汪可欣
Original assignee: Northeast Agricultural University
Current assignee: Northeast Agricultural University
Priority date: 2015-11-22
Filing date: 2015-11-22
Publication date: 2019-04-19
Anticipated expiration: 2035-11-22
Also published as: CN105544725A

Abstract

本发明公开了一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用，采用在网壳面内及面外布置拉杆，开发一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系。基于有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对新型拉杆式温室网壳进行了弹性、弹塑性全过程分析，系统地考察了极限承载力、失稳模态、塑性发展分布等特征响应，同时考虑初始几何缺陷、荷载不对称分布、拉杆预应力等因素变化对温室网壳结构弹塑性稳定性能影响规律。最后，提出适用于新型拉杆式柱面温室网壳的塑性折减系数，用以表示材料非线性对极限承载力的影响。这些成果为继续开展新型网壳结构的弹塑性稳定性能研究以及实际工程的应用提供重要的理论依据与技术支撑。

Description

一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用

技术领域

本发明属于农业建筑技术领域，涉及一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用。

背景技术

我国温室结构普遍采用轻型钢结构框架形式，如果过度追求大跨度，并且采用传统的方法计算这种轻钢结构的稳定性易导致用钢量过大，并不经济实用^[1][2]。近年，因单层网壳受力比较合理、结构刚度大、跨越能力大，及其空间无柱化及造型美观等特点，被广泛应用于温室建筑^[3][4]。最常见单层网壳的网格形式包括双向网格和三向网格，从结构自重、采光等方面考虑，双向网格型网壳优于三向网格型网壳，但是双向网格型网壳的面内及面外刚度比较低，因此受到了国内外学者的广泛关注。从以往的研究来看，学者们通常采用在双向网格的两个对角处布置拉杆来增强其面内刚度^[5，6]，或通过布索方式来提高整体稳定性能^[7，8]，但是有关单层柱面网壳面外布置拉杆的设计方案很少见，并且目前缺乏这种拉杆式单层柱面网壳应用于温室建筑的工程实例。

稳定性分析是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题，近年来，我国学者对网壳结构的弹塑性稳定性能研究也取得了一定的成果，这些工作的开展为网壳弹塑性稳定研究工作奠定了良好的理论基础^[9][10]。文献[11]通过荷载-位移全过程分析对各种形式网壳结构的稳定性能进行了深人研究，提出了单层球面网壳、柱面网壳和椭圆抛物面网壳稳定性承载力的实用计算公式。文献[12]以单层球面网壳为研究对象，系统地考察了初始几何缺陷和荷载不对称分布等因素对球面网壳稳定性能的影响规律，并提出了适用于球面网壳的塑性折减系数。文献[13，14]对单层柱面网壳结构的弹塑性稳定性能进行了系统的研究，考查了初始缺陷和荷载不对称分布对其稳定性能的影响，在此基础上提出了供设计使用的实用公式，在理论和计算方法上取得了丰硕的成果。但是，现有技术中，拉杆式柱面网壳失稳前后结构稳定性能研究还缺乏深入的认识。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用，利用大型通用有限元软件ANSYS，针对新型拉杆式单层柱面网壳结构开展系统的研究，考察了拉杆预应力、初始缺陷、荷载不对称分布等因素对网壳结构弹塑性稳定性的影响。在此基础上，提出了适用于新型拉杆式柱面温室网壳的塑性折减系数，比较真实地反映了此类结构的弹塑性稳定性能，更具有理论与实用价值。

其技术方案如下：

在柱面网壳的网格对角处及横断面处布置拉杆，开发一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，极限承载力最大可提高55％。通过对拉杆施加预应力，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大可提高6％，同时对提高网壳的初始刚度起到一定作用。和以往单层柱面网壳不同，新型拉杆式柱面温室网壳极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网壳极限承载力最大可提高25％。

进一步，本发明所述新型拉杆式柱面温室网壳结构体系的弹塑性极限承载力相对弹性极限承载力有大幅度降低，塑性折减系数在0.55～0.85之间，表明按照弹性极限承载力的50％估算结构实际承载能力是偏于不安全的。

本发明所述新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系可实现在温室网壳工程中的应用，可以取得较好的技术和经济效果。

本发明的有益效果：

本发明采用在网壳面内及面外布置拉杆，开发一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系。新型拉杆式单层柱面温室网壳自重g＝0.13kN/m²，最大承载力可达2.1kN/m²，这种轻质、高强、透光率高的新型拉杆式单层柱面网壳应用于温室结构设计可以取得较好的技术和经济效果。基于有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对新型拉杆式温室网壳进行了弹性、弹塑性全过程分析，系统地考察了极限承载力、失稳模态、塑性发展分布等特征响应，同时考虑初始几何缺陷、荷载不对称分布、拉杆预应力等因素变化对温室网壳结构弹塑性稳定性能影响规律。最后，提出适用于新型拉杆式柱面温室网壳的塑性折减系数，用以表示材料非线性对极限承载力的影响。这些成果为继续开展新型网壳结构的弹塑性稳定性能研究以及实际工程的应用提供重要的理论依据与技术支撑。

附图说明

图1为beam189单元及截面积分点；

图2为柱面温室网壳类型，其中图2(a)为柱面网壳几何构造，图2(b)为柱面网壳平面及立面图，图2(c)为两纵边支承网壳，图2(d)为四边支承网壳；

图3为荷载不对称分布；

图4为不同缺陷下荷载-位移全过程曲线(f/b＝1/5)，其中，图4(a)为四边支承柱面网壳，图4(b)为两纵边支承柱面网壳；

图5为柱面网壳的初始缺陷影响系数，其中，图5(a)为两纵边支承，图5(b)为四边支承；

图6为拉杆预应力下的荷载-位移全过程曲线(f/b＝1/6)；

图7为四边支承柱面网壳临界点时刻的节点位移(f/b＝1/6)，其中图7(a)为Nl＝0kN，图7(b)为Nl＝40kN；

图8为荷载不对称作用下的全过程曲线(四边支承)，其中，图8(a)为f/b＝1/5，图8(b)为f/b＝1/6；

图9为临界点时刻柱面网壳轴力分布(四边支承)，其中图9(a)为p/g＝0，图9(b)为p/g＝1/4；

图10为完整网壳的失稳模态(f/b＝1/4)，其中，图10(a)p/g＝0，两纵边支承，图10(b)p/g＝1/4，两纵边支承，图10(c)p/g＝1/2，两纵边支承，图10(d)p/g＝0，两纵边支承，图10(e)p/g＝1/4，两纵边支承，图10(f)p/g＝1/2，两纵边支承；

图11为柱面网壳临界点时刻及失稳后塑性发展分布状况(f/b＝1/4)，其中，图11(a)荷载位移全过程曲线(p/g＝0)，图11(b)临界点时刻塑形发展分布(p/g＝0)，图11(c)失稳后塑形发展分布(p/g＝0)，图11(d)荷载位移全过程曲线(p/g＝1/4)，图11(e)临界点时刻塑形发展分布(p/g＝1/4)，图11(f)失稳后塑形发展分布(p/g＝1/4)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

1分析方法与参数方案

本发明采用通用有限元软件ANSYS，结合自编的前后处理程序，构建了结构荷载-位移全过程分析的标准化流程。分析中，节点假设为刚接，杆件的模拟采用软件自定义的Beam189梁元，该单元为3结点二次梁元，基于Timoshenko梁元理论，在非线性分析中考虑大变形、大转角和大应变效应。为说明杆件截面的塑性发展程度，每个截面有8个积分点，定义1P表示有1个积分点进入塑性，8P表示全截面进入塑性，以此类推(图1)。拉杆采用link180杆单元，具有塑性、大变形和大应变等功能，在非线性分析中仅考虑在受拉过程中具有刚度。通过Von Mises屈服准则及流动方程，定义杆件轴向塑性应变分量，实时输出杆件截面的塑性发展状况，对加载过程中结构内部的塑性发展实现全程可视化跟踪。

结构的非线性有限元分析进行平衡路径跟踪时，采用线性逼近方法(ModifiedNewton-Raphson Method)，且假定荷载与结构变形无关，任意时刻的平衡方程如下所示：

^tKΔU⁽ⁱ⁾＝^t+ΔtR-^t+ΔtF^(i-1) (1)

其中^t+ΔtR，^t+ΔtF^(i-1)，分别为t+Δt时刻外部所施加的节点荷载向量和相应的杆件节点内力向量。^tK是t时刻结构的切线刚度矩阵，ΔU⁽ⁱ⁾是当前位移的迭代增量。

温室结构采用拉杆式双向网格形式单层柱面网壳，并分别采用两纵边支承和四边支承两种支承形式，网壳两端为约束边时，不施加X向约束(u≠0)，如图2所示。纵向和两端网格数均为6，按常规设计杆件采用圆管截面φ146×8.0(单位mm)，在双向网格对角处及横断面处布置斜拉杆，拉杆截面均为φ20(单位mm)，网壳中心横断面处竖杆长度取矢高的1/4，采用φ20梁元。网壳跨度b均取30m；矢跨比f/b＝1/4、1/5、1/6。

在进行初始几何缺陷的分析过程中，利用特征值缺陷模态法将结构的最低阶特征屈曲模态作为初始几何缺陷的最不利分布模式，缺陷的最大值在基本分析中取网壳波宽的1/250、1/300、1/500、1/750或1/1000，对于部分算例分析了更多大小不同缺陷对结构弹塑性稳定性能的影响。其控制方程为：

(K_e+λK_g)φ＝0 (2)

式中，λ为特征值，φ为特征位移向量，K_e为结构线弹性刚度矩阵，K_g为结构几何刚度矩阵。

结构的稳定性能可以从荷载-位移全过程曲线中得到完整的概念，结构非线性有限元分析进行平衡路径跟踪时，采用球面弧长法^[15][16]，给定若干个加载增量步，在每个增量步内，根据给定的荷载增量或给定的位移增量，经过一系列迭代计算，追踪结构真实的加载路径，最终获得结构的极限荷载，约束方程为：

经计算，新型拉杆式单层柱面网壳自重g＝0.13kN/m²，本发明考虑满跨均布和半跨均布两种荷载分布形式。其中，恒荷g满跨分布，活荷载p可满跨均匀分布也可半跨均布。图3给出了结构的活荷载不对称分析形式，考虑了活荷载p与恒荷载g的三种比例：p/g＝0、1/4、1/2。

2参数分析结果

2.1布置横向拉杆对网壳极限承载力的影响

以往研究表明，柱面网壳在布置横向加劲肋以后，体系的整理刚度和壳面的保形能力将有所增强，网壳的极限承载力相应提高^[17]。本发明在网格对角处布置拉杆的基础上，还考虑在网壳中心断面处布置横向拉杆来提高网壳极限承载力。本发明通过对完整网壳的弹塑性分析，考察了布置横向拉杆对网壳极限承载力的影响。表1给出了完整网壳在布置横向拉杆前后的极限承载力。数据结果表明，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，两纵边支承时，极限承载力最大可提高43％；四边支承时，极限承载力最大可提高55％。

表1 网壳极限承载力(kN/m²)

2.2初始几何缺陷对极限荷载力的影响

初始几何缺陷的存在往往会导致屈曲模态的改变，更直接表现为导致极限承载能力降低。针对这一影响，本发明对每一例模型进行了分析，考察了初始缺陷对极限荷载的影响。本发明以迭代结束时位移最大结点的荷载-位移曲线作为代表，取第一个临界点处的荷载值作为结构的极限荷载。通过对分析结果的统计显示，随着矢跨比的降低，初始缺陷对极限承载力的影响越大，在矢跨比为1∶6时，四边支承柱面网壳极限承载力最大降低24％，两纵边支承柱面网壳极限承载力最大降低17％，四边支承柱面网壳极限承载力受初始缺陷影响降低较为明显，两纵边支承网壳初始刚度则受初始缺陷影响降低较为明显。为更进一步了解初始几何缺陷对于柱面网壳极限承载力的影响，图4中列出了四边支承和两纵边支承柱面网壳五种初始几何缺陷情况下的荷载位移全过程曲线，可以看出随着缺陷值的不断增大，网壳的极限承载力逐渐降低，并没有呈现出逐渐趋于稳定的趋势。参照图5中缺陷影响系数(有缺陷网壳极限承载力与完整网壳极限承载力的比值)统计结果，影响系数最小值为0.7，表明拉杆式柱面网壳对于初始几何缺陷还是比较敏感的。

2.3拉杆预应力的影响

本发明通过施加负温度的方法对拉杆施加预应力。钢材线膨胀系数取1.2×10^-5，拉杆初应力通过施加温度荷载的方式得到，其关系式为：

ΔN＝E×A×α_L×ΔT (4)

式中，EA为拉杆抗拉刚度，α_L为线膨胀系数，ΔT为温度增量。

本发明对柱面网壳中的拉杆施加了一定程度的预应力，预应力取值为0kN～40kN。图6给出了四边支承柱面网壳在拉杆预应力下的荷载-位移全过程曲线，四边支承柱面网壳极限承载力随矢跨比的减小而增大，矢跨比1/6时，极限承载力最大提高6％。从统计结果来看，预应力前后节点变形基本不变，随着拉杆预应力的增大，初始刚度不同程度增强，相应临界点时刻的位移不同程度减小(图7为施加预应力前后，柱面网壳在临界点时刻的节点位移图，单位：m)，拉杆预应力对于两纵边支承柱面网壳的极限承载力影响不大。

2.4竖向不对称荷载影响

本发明研究参数范围内分析结果表明，竖向荷载不对称分布对拉杆式单层柱面网壳弹塑性极限承载力的影响比较明显。例如，图8(a)、(b)中给出矢跨比1/4和1/5，柱面网壳分别在四种不对称荷载分布下的全过程曲线，分别考察了完整网壳和具有B/300缺陷两种情形。与其他柱面网壳情形不同，当p/g＝0.25时，拉杆式柱面网壳弹塑性极限承载力有增加趋势，有缺陷时增加趋势更为明显。可以看出，竖向荷载不对称分布对拉杆式柱面网壳的弹塑性临界荷载值有一定影响，在不对称荷载作用下极限承载力的变化幅度通常小于25％。图9给出了完整弹塑性柱面网壳临界点时刻的轴力分布，当p/g＝0时，轴力成对称分布，两纵边支座区域杆件轴力最大；当p/g＝0.25时，轴力成不对称分布，网壳中心处若干拉杆轴力达到最大，如图9(b)所示(单位：N)。

2.5网壳失稳及失稳后塑性发展全过程分析

网壳的失稳特征宏观上体现为结构的屈曲模态和极限承载能力，微观上则体现为结构内部的塑性发展变化。失稳模态为结构在临界点时刻的增量模式，代表临界点时刻的变形趋势。失稳模态获得可以预测结构最先失稳的区域。对网壳结构进行塑性发展的全过程跟踪，可以从宏观和微观两个方面阐述结构的失稳机理与特征。

图10可以出了矢跨比1/4时，可以看出，新型拉杆式柱面网壳失稳模态多数情况下呈三个半波的壳面凹陷形式，两侧向外隆起，壳面两侧直杆作为压弯构件受力较大，易过早进入塑性阶段。此外，由于中心位置布置车轮状拉杆，网壳纵向呈双半波的凹陷形式，中部杆件受力较大，易进入塑性阶段。当p/g＝1/4时，两纵边支承网壳呈一个半波的壳面凹陷形式，从加载初始阶段到失稳阶段，由对称变形转化为反对称变形，因此，失稳时中部杆件受力不大，两侧杆件受力较大。

图11给出了四边支承拉杆式柱面网壳在临界点时刻和失稳后的杆件塑性发展状况及对应的位移形态。对应的位移形态显示，网壳进入塑性的时刻，四边支承时，进入塑性的杆件主要集中在两侧，当结构失稳后，由于荷载不对称分布，结构的塑性发展也呈现不对称的分布，两侧若干横向杆件全截面进入塑性；两纵边支承时，网壳两端的杆件由于未被约束，失稳后两端横向杆件易全截面进入塑性。和其他网壳不同，当荷载达到临界点时，新型拉杆式柱面网壳无杆件全截面进入塑性，这是因为没有局部区域发展过于集中而提前丧失承载力^[18]。

本发明在网壳结构稳定性分析过程中，对于每例网壳结构进行了弹性、弹塑性全过程分析，将两种分析得到的极限承载力的比值定义为“塑性折减系数”，用c_p表示，代表网壳稳定性分析过程中考虑材料非线性后带来的不利影响。针对本发明大量的计算结果，按照统计学方法对c_p值进行统计，将这一数值定量化。按照网壳规程的建议，在进行网壳的弹性全过程分析时，初始缺陷应按跨度的1/300取值。按照这一思路，对具有b/300大小初始缺陷的两纵边支承拉杆式单层柱面网壳的塑性折减系数进行统计分析，求得c_p的平均值和均方差：δ_cp＝0.003；如果按95％的保证率，可求得建议的折减系数为：

按照同样的方法可以求得其他类型拉杆式柱面网壳的塑性折减系数，甚至可以按照不同矢跨比求得更为细致的统计结果，如表2所示。

表2新型拉杆式柱面网壳折减系数c_p统计

4结论

1)在柱面网壳横断面处布置斜拉杆，网壳极限承载力最大幅度可提高55％，这种轻质、高强、透光率高的新型拉杆式单层柱面网壳应用于温室结构设计可以取得较好的技术和经济效果。

2)新型拉杆式单层柱面温室网壳属缺陷敏感性结构，矢跨比越小，结构极限承载力降低幅度越大，四边支承结构极限承载力受初始几何缺陷影响降低更为明显。按照最大初始几何缺陷为波宽的1/250考虑，柱面网壳极限承载力最大降低幅度不超过30％，如缺陷进一步增大，结构极限承载力将持续降低，因此实际工程中严格控制网壳结点安装偏差至关重要。

3)本发明通过对拉杆施加预应力，考察了拉杆预应力对温室网壳极限承载力的影响，从统计结果来看，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大可提高6％，对于两纵边支承柱面温室网壳极限承载力影响不大；拉杆预应力的施加对提高网壳的初始刚度起到一定作用。

4)和以往单层柱面网壳不同，新型拉杆式柱面温室网壳极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网壳极限承载力最大可提高25％。

5)网壳结构在外荷载作用下的几何变形会促进杆件截面的塑性发展，加快失稳变形，失稳后，四边支承网壳两侧横向杆件受力较大，易全截面进入塑性；两纵边支承网壳两端横向杆件受力较大，易全截面进入塑性。

6)通过塑性折减系数的统计可知，考虑塑性影响后，新型拉杆式柱面温室网壳的极限承载力相对弹性极限承载力有大幅度降低，塑性折减系数在0.55～0.85之间，表明按照弹性极限承载力的50％估算结构实际承载能力是偏于不安全的。

以上研究成果为新型拉杆式柱面网壳结构应用于温室设计的工程实践提供了理论依据和技术参考。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

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Claims

1.一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系，其特征在于，在柱面网壳横断面处设有斜拉杆，具体布置斜拉杆的方式为网壳面内及面外布置拉杆，拉杆式单层柱面温室网壳自重g＝0.13kN/m²，最大承载力可达2.1kN/m²，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，极限承载力最大提高55％；通过对拉杆施加预应力，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大提高6％，同时对提高网壳的初始刚度起到一定作用；极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网壳极限承载力最大提高25％；极限承载力相对弹性极限承载力有大幅度降低，塑性折减系数在0.55～0.85之间，表明按照弹性极限承载力的50％估算结构实际承载能力是偏于不安全的；其中拉杆式单层柱面温室网壳结构体系的分析方法，其步骤如下：

(1)采用通用有限元软件ANSYS，结合自编的前后处理程序，构建了结构荷载-位移全过程分析的标准化流程；分析中，节点假设为刚接，杆件的模拟采用软件自定义的Beam189梁元，该梁元为3结点二次梁元，基于Timoshenko梁元理论，在非线性分析中考虑大变形、大转角和大应变效应；

(2)为说明杆件截面的塑性发展程度，每个截面有8个积分点，定义1P表示有1个积分点进入塑性，8P表示全截面进入塑性，以此类推；

(3)拉杆采用link180杆单元，具有塑性、变形和应变功能，在非线性分析中仅考虑在受拉过程中具有刚度；通过Von Mises屈服准则及流动方程，定义杆件轴向塑性应变分量，实时输出杆件截面的塑性发展状况，对加载过程中结构内部的塑性发展实现全程可视化跟踪；

(4)结构的非线性有限元分析进行平衡路径跟踪时，采用线性逼近方法，且假定荷载与结构变形无关，任意时刻的平衡方程如下所示：

^tKΔU⁽ⁱ⁾＝^t+ΔtR-^t+ΔtF^(i-1) (1)

其中^t+ΔtR，^t+ΔtF^(i-1)，分别为t+Δt时刻外部所施加的节点荷载向量和相应的杆件节点内力向量，^tK是t时刻结构的切线刚度矩阵，ΔU⁽ⁱ⁾是当前位移的迭代增量；

(5)温室结构采用拉杆式双向网格形式单层柱面网壳，并分别采用两纵边支承和四边支承两种支承形式，网壳两端为约束边时，不施加X向约束(u≠0)；纵向和两端网格数均为6，按常规设计杆件采用圆管截面φ146×8.0mm，在双向网格对角处及横断面处布置斜拉杆，拉杆截面均为φ20mm，网壳中心横断面处竖杆长度取矢高的1/4，采用φ20梁元；网壳跨度b均取30m；矢跨比f/b＝1/4、1/5、1/6；

(6)在进行初始几何缺陷的分析过程中，利用特征值缺陷模态法将结构的最低阶特征屈曲模态作为初始几何缺陷的最不利分布模式，缺陷的最大值在基本分析中取网壳波宽的1/250、1/300、1/500、1/750或1/1000，对于部分算例分析了更多大小不同缺陷对结构弹塑性稳定性能的影响；其控制方程为：

(K_e+λK_g)φ＝0 (2)

式中，λ为特征值，φ为特征位移向量，K_e为结构线弹性刚度矩阵，K_g为结构几何刚度矩阵；

(7)结构的稳定性能可以从荷载-位移全过程曲线中得到完整的概念，结构非线性有限元分析进行平衡路径跟踪时，采用球面弧长法，给定若干个加载增量步，在每个增量步内，根据给定的荷载增量或给定的位移增量，经过一系列迭代计算，追踪结构真实的加载路径，最终获得结构的极限荷载，约束方程为：

{(^t+Δtl^(i-1)-^tl)+Δl⁽ⁱ⁾}²+ΔU^(i)TUⁱ＝ΔL² (3)

经计算，拉杆式单层柱面网壳自重g＝0.13kN/m²，考虑满跨均布和半跨均布两种荷载分布形式；其中，恒荷g满跨分布，活荷载p可满跨均匀分布也可半跨均布；对于结构的活荷载不对称分析形式，考虑了活荷载p与恒荷载g的三种比例：p/g＝0、1/4、1/2。