陈勇 胡淑真
华恒建设集团有限公司
摘要：本文大跨度钢结构网壳屋顶结构的稳定性展开讨论，从不同角度出发分析网壳结构的稳定性，选取其中最为常见的有限元分析方法作为主力手段进行深入探究，利用SAP2000软件搭建三维有限元模型，剖析建模过程中的各个主要节点和对应的注意事项，优化建模过程，有利于后期实现网壳结构的全结构分析。
关键词：大跨度； 网壳结构； 稳定性分析； 数值建模
Stability and Numerical Modeling Analysis of Large Span Steel Reticulated Shell Roof Structure
Abatract：in this paper, large span steel structure to discuss the stability of the reticulated shell roof, from a different perspective of the stability of the reticulated shell structure is analyzed, select one of the most common finite element analysis method as the main means to delve into, using SAP2000 software structures, three-dimensional finite element model, the analysis in the process of modeling the main node and the corresponding points for attention, Optimizing the modeling process is beneficial to realize the full structure analysis of reticulated shell structure.
Keyword：large span; net shell structure; stability analysis; numerical modeling
大众对于美的认识与追求也不断推陈出新，这就促生了建筑设计技术、施工技术、新型建筑材料等方面也需要提升以满足现代社会的需求。其中钢结构以其灵活的架设方式与多变的截面类型在很大程度上满足了建筑施工的功能需求。对于异形建筑面的工程体系，钢结构也表现出强大的适应能力，在局部变截面的建筑形式上，钢结构也在创新地发展节点结构与布置方式。在异形建筑体系中，比如净空间较大的体育场馆，跨度较大的火车站、市民中心、医院等公共场所都普遍采用了网壳结构屋顶。网壳结构是利用单一截面的杆件通过连接节点按照一定的组合方式组成受力均匀，变形协调的空间结构体，如图1。单个杆件承受轴力为主，可以最大程度发挥受压杆件的钢材强度，强度利用率也在钢结构建筑类型中是名列前茅。由单个杆件组合而成的网壳结构整体可以承受弯矩、局部点荷载、整体竖向荷载等，网壳结构合理的空间结构可以在空间跨度上面的到尽可能延展[1]，相较于混凝土现浇结构，自重更轻，施工更为简便，实现的空间可能性也越大。但是一味地追求建筑美观与空间的延展性会对建筑结构的整体稳定性提出很高的要求，保证建筑的安全性是建筑施工的前提[2]，网壳结构在大跨度建筑结构上的变形机理与变形特性也处在不断地探索阶段。
基于此，本文大跨度钢结构网壳屋顶结构的稳定性展开讨论，从不同角度出发分析网壳结构的稳定性，选取其中最为常见的有限元分析方法作为主力手段进行深入探究，利用SAP2000软件搭建三维有限元模型，剖析建模过程中的各个主要节点和对应的注意事项，优化建模过程，有利于后期实现网壳结构的全结构分析。
.png)
图1 网壳结构屋顶示意图
1 网壳结构的整体稳定性分析
网壳结构在受荷稳定性破坏过程中会出现三种不同的情况，包括限值失稳、突变点失稳和疲劳失稳。对于简化的理想弹性模型来讲，发生的主要破坏是限值失稳，由于理想弹性模型在受到荷载发生变化的条件下会严格依照既定的应力应变曲线进行变形发展，超过弹性变形的范围限值后就会发生塑性变形或者破坏。现有研究中对于网壳结构的分析主要采用有限元法、多参数拟合分析法和颗粒离散元法。其中颗粒离散元法[3-4]可以最大程度还原网壳结构的真实结构形态与各组件之间的连接特点，颗粒化的简化方式也在一定程度上将结构体内部的围观形态作出一定程度上的体现，但是现有离散元分析建模难度较大，对于结构组件较多，截面形式各异的建筑物来说会有巨大的工作量，所以现在对于网壳结构最为常用的分析方法仍采用有限元模拟的方式进行，这样有利于各个节点的工作性能的耦合与链接，得到的结果也更加平顺，切合真实情况。利用有限元分析的方式可以节省建模工作的同时得到网壳结构在受荷变形后的承载力与整体稳定性。
1.1 网壳结构的特征屈服分析
结构的特征屈服分析又称为线弹性范围内的屈服分析，主要是针对理想弹性结构进行线弹性范围内的变形分析。对于网壳结构的的特征屈服分析中主要将铰接的连接节点简化为刚接，提高了结构的整体稳定性与受荷承载力，在此种假设条件下得到的屈服结果和破坏临界荷载要偏大，只能作为结构分析的定性参考量，这就会导致工程的安全冗余度减小，会在一定程度上对现场实际工程产生误导，会使得工程的安全性得到折减，这对现场项目是极为不安全的处理分析方式，所以需要进行非线性的屈服分析，即切合现场工程结构实际的分析方式，但非线性的屈服分析处理方式由于偶然性非常大，分析结果会导致较多的偏差分支，所以在进行非线性分析之前进行一次线弹性范围内的屈服分析工作，把握非线性分析的整体分析方向。具体分析内容如下：1）线性分析的结果可以为非线性分析的参数选取提供一个大致的取值范围，容易计算出非线性分析方式下的网壳结构的极限承载力；2）线性分析的结果得到的网壳结构的变形特征与变形方式可以为非线性分析的计算结果提供变形校验，提高非线性分析的准确性。
1.2 网壳结构的非线性分析
引入结构的弹塑性变形即非线性变形特征分析，主要是考虑结构材料在超过弹性范围后的塑性变形，其中最为常用的分析方式为柱面弧长法，此种方法可以将网壳结构的稳定性与整体强度通过不同参数的灵活组合进行充分考虑，分析结果也能够反应结构整体的变形响应和结构各个组成构建的内力与变形响应[5]。
1.3 网壳结构单组件稳定性分析
对于网壳结构来讲，影响其整体强度与稳定性的因素有很多，比如说各个组件的界面形式、组件数量、受荷形式与荷载分布、节点连接方式方法等，其中组成构件的截面形式对于网壳结构的整体稳定性与强度影响最为显著，如下图2所示，为圆形截面杆件在不同初始缺陷条件下的承载力曲线。图3为矩形截面杆件在不同初始缺陷条件下的承载力曲线。从两幅图中可以看出矩形截面在受荷变形时出现峰值的时间更快，而且矩形截面在达到峰值之后中间节点位移衰减的速度较圆形截面更加迅速和明显，在保证结构整体稳定性能力方面要弱于圆形截面，所以在选择网壳结构组件截面时根据实际情况可以偏向于选择圆形截面[6]，以增强结构稳定。
.png)
图3 矩形截面杆件在不同初始缺陷条件下的承载力曲线
2 网壳结构数值分析建模分解
为了更好的把握网壳结构的变形规律及破坏特征，建立有限元模型进行详细分析，为提高分析结果的可靠性，本部分剖析建模过程中的各个主要节点和对应的注意事项，优化建模过程[7]。
2.1 网壳结构概况
本工程建立一个如下图所示的网壳结构。
.png)
图4 网壳结构示意图
2.2 建立模型
在SAP2000模型中利用模型中的快速建模模块建立模型轮廓与轴线。
.png)
图5 选择模块中的壳单元
分割所建整体模型中的单元体，按照设计图纸中划定的单元块进行编辑划定，如下图所示。
.png)
图6 单元块划分界面示意图
紧接着进行荷载定义操作，主要是对荷载的大小以及荷载的分布位置进行指定，包括恒活荷载、风荷载以及地震荷载等，如下图所示
.png)
完成荷载录入工作后整体的网壳结构建模工作完成，后续可以直接交由软件进行地震荷载加的结构物变形分析。
4 结论
本文大跨度钢结构网壳屋顶结构的稳定性展开讨论，从不同角度出发分析网壳结构的稳定性，选取其中最为常见的有限元分析方法作为主力手段进行深入探究，利用SAP2000软件搭建三维有限元模型，剖析建模过程中的各个主要节点和对应的注意事项，优化建模过程，有利于后期实现网壳结构的全结构分析。
参考文献
[1] 栾长福, 梁满. 概率论与数理统计[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2007: 153-154.
[2] 葛家琪, 张国军, 王树, 等. 2008 奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构整体稳定性能分析研究[J]. 建筑结构学报, 2007, 28(6): 22-30, 44.
[3] 唐敢, 尹凌峰, 马军, 等. 单层网壳结构稳定性分析的改进随机缺陷法[J]. 空间结构, 2004, 10(4): 44-47.
[4] 郭佳民, 董石麟, 袁行飞. 随机缺陷模态法在弦支穹顶稳定性计算中的应用[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 178-183.
[5] 姜 艳. 凤凰谷A区舞台上空大跨度桁架式钢屋盖施工力学研究[D]. 南京:南京理工大学, 2012.
[6] 宋 杰, 张亚栋, 王孟进, 等. Revit与ANSYS结构模型转换接口研究[J]. 土木工程与管理学报, 2016, 33(1):79-84.
[7] 杜宝江, 陈长松, 吴恩启, 等. 基于ANSYS梁单元与实体单元的组合建模研究[J]. 机械设计与研究, 2013, 29(4): 61-63.