混凝土人字形折板式网壳结构稳定分析

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混凝土人字形密肋折板式网壳的提出丰富了混凝土壳体结构的结构形式,该体系结合了地区人文特色、地方经济发展状况以及地方气候条件。结构形式主要以人字形为主,可理解为由密肋平板在空间交汇构成,交汇线为脊线或谷线,密肋平板的荷载传递至脊(谷)线后,再最终传递到下部支承结构上,传力路径明确。主要应用是在结构的屋盖,工程实践表明能够很好的应用于教学楼、礼堂等中小跨度公共建筑,主要材料采用混凝土,可以大大降低钢筋用量,有效解决钢结构在工程应用中容易受到气候等条件引起的腐蚀问题,耐火和耐久性良好,同时结构具有自然排水功能,贴合国家大力推行的绿色建筑理念。对混凝土结构而言,支模引起的结构构件长度、截面尺寸误差及节点坐标移位影响,脚手架移位引起的局部塌陷,钢筋绑扎的移位影响,混凝土浇筑时的爆模、浇筑不密实形成的蜂窝麻面等对截面的削弱,钢筋锈蚀引起的爆筋等是常见现象,这些不利现象将影响混凝土结构的静力或抗震承载力,并影响混凝土空间结构的稳定承载力。对空间结构而言,在众多不利因素中,有时由于尺寸误差形成的初始缺陷对结构稳定承载力的影响是不可逆转的,人字形密肋式折板网壳的构件截面尺寸较小,因此这种初始缺陷对结构稳定的影响尤为重要,有时甚至会成为控制结构极限承载力的重要问题。现阶段针对混凝土折板式网壳的稳定分析比较少,人字形折板式网壳作为新型混凝土结构形式工程应用中主要是屋盖,结构的稳定分析是必不可少的,本文主要讨论混凝土人字形折板式网壳屋盖结构弹性阶段和采用一致缺陷模态法引入缺陷后非线性阶段稳定性能结果表明:结构矢跨比和肋刚度是影响结构弹性失稳临界荷载的主要因素,屋盖矢跨比和临界荷载呈线性关系,随着矢跨比的增大,弹性失稳荷载增大,结构拱向传力性质表现越明显。肋是结构的主要着力和受力构件,弹性失稳临界荷载随着肋刚度的增大会明显增大,所以结构增大结构的肋刚度是提高结构弹性失稳荷载的主要措施。结构密肋是搭接在脊线上,从结构失稳模态中可以看到,失稳模态关于脊线对称,可以认为脊线是密肋平板的定向滑动支承边,脊线刚度的增大对结构临界荷载并无明显影响。边梁作为结构主要传力构件,抗弯刚度的增大并不能增大结构临界荷载,所以边梁刚度的增大并不是增大结构弹性阶段临界荷载的主要措施。仅改变结构屋面板厚对结构临界荷载影响不大,所以建议结构在满足要求的前提下采用较小板厚们可以有效降低结构自重。采用一致缺陷模态法引入结构一阶屈曲模态作为结构的初始缺陷作结构非线性稳定分析讨论结构构件刚度对结构极限荷载的影响,结果表明结构矢跨比和肋刚度是影响结构极限荷载的最主要因素。结构极限荷载随着矢跨比的增大几乎呈线性增长,当矢跨比小于1/6,肋刚度的增大对结构极限荷载影响减弱,结合结构动力特性分析,建议结构矢跨比小于1/6。肋刚度的增大可以明显改善结构的整体刚度,对结构极限荷载的影响明显,在矢跨比一定时,提高结构极限荷载可以采用增大结构肋刚度的方式。从结构失稳过程可以看到,结构变形从肋往脊线发展,脊线刚度的增大可以一定程度上增大结构的极限承载力。通过增大结构边梁的高度和宽度增大抗弯和抗扭刚度并不能明显增大结构的极限承载力。在分析中,加入了结构不带板屋盖的对比可以看到,是否有板对结构的极限承载力有影响,但是屋面板厚度大小对结构极限承载力影响并不明显。文中讨论了结构构件失效情况下对极限荷载的影响,通过对比分析,结构脊线和下弦失效对结构影响较大,在设计中,应当保证结构的脊线和下弦刚度。通过对结构稳定分析发现,当结构达到极限承载力时,结构变形最大点的位移已经远远超过结构的最大容许挠度,所以对于人字形折板式网壳结构而言,结构的稳定性能并不是结构设计时主要考虑的因素。根据结构稳定分析,拟合了承载力了计算公式,根据检验分析可以很好反应结构的承载力,希望可以为结构应用提供参考。
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