第３３卷第３期 青岛理工大学学报 Ｖ０ＩＩ ３３ Ｎｏ．３ ２０１２ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｉｎｇｄａｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 双层柱面网壳整体稳定性分析 赵琳 ，杨晓明ｂ （青岛理工大学 土木２１２程学院；ｂ．建筑科技总公司，青岛２６６０３３） 摘要：利用有限元方法，对双层柱面网壳的稳定性进行了几何和材料双重非线性分析，通过荷载一位移曲线 将结构的强度、稳定性以及刚度的变化历程表现出来，以确定矢跨比、非对称荷载和初始缺陷等不同因素对结 构临界荷载的影响，得出对工程设计有指导意义的结论． 关键词：双层柱面网壳；临界荷裁；矢跨比；非线性；初始缺陷 中图分类号：ＴＵ３２３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３—４６Ｏ２（２Ｏ１２）０３一ｏ０３１一Ｏ４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌａｔｔｉｃｅ ｓｈｅｌｌｓ ＺＨＡＯ Ｌｉｎ ，ＹＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ （ａ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｈ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａ】Ｃｏｍｐａｎｙ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０３３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｍａｋｅｓ ａ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ ｌａｔｔｉｃｅ ｓｈｅｌｌ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｉｔ ａｌｓｏ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ １ｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅ— ｍｅｎｔ ｃｕｒｖｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｓｃｅｒｔａｉｎ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ．１ｏａｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｉｔｉａｌ ｉｍｐｅｒ— ｆｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌｌｏａｄ ａｎｄ ｄｒａｗ ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｔｈａｔ ｉｓ ｏｆ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅ— ｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｏｕｂｌｅ－ｌａｙｅｒ ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｓｈｅｌｌ；ｃｒｉｔｉｃａｌ ｌｏａｄ；ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ；ｎｏｎｌｉｎｅａｒ；ｉｎｉｔｉａｌ ｉｍｐｅｒ— ｆｅｃｔｉｏｎ 国内自２０世纪８０年代中期以来，网壳结构发展异常迅速，双层柱面网壳是其中应用较为广泛的结构 形式之一，稳定性分析是网壳结构设计中的关键问题［１］．单层网壳和较薄的双层网壳的稳定性相对较差， 而国内外对网壳稳定性的研究多专注于单层网壳、双层的球面网壳以及角锥体系的双层柱面网壳，对手双 向交叉桁架体系的双层柱面网壳稳定性的研究较少 引，本文选取的双层柱面网壳的形式为交叉桁架体系， 对此种形式的双层柱面网壳的稳定性进行研究． １ 工程概况 本文的计算模型选自青岛开发区唐岛湾海上嘉年华门厅屋顶的双层柱面网壳，嘉年华水上游乐区建 筑体型狭长，结构跨度大，平均跨度为１１０ ｍ，最大跨度为１４５ ｍ．由于其跨度较大，厚度较薄，因此其稳定 性成为必须考虑的设计因素．网壳方案如图１所示，其跨度和长度均为１００ ｍ，由于建筑要求，该网壳中间 收稿日期：２０１０—１０—２４ 作者简介：赵琳（１９８６一），男，山东安丘人．硕士，研究方向为结构工程．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｏｌｉｎ０５２６＠１６３．ｃｏｒＩ１． 第３期 赵琳，等：双层柱面网壳整体稳定性分析 ３３ ３初始缺陷对双层柱面网壳临界荷载 的影响 由于双层柱面网壳结构的杆件较多，跨度相对较 至 大，在对网壳杆件进行安装时难以保证绝对精确，另外 挺 《 杆件在加工时也会有一定的误差，因此，当网壳的杆件 ± 越多，累积误差就会越大，而且多数网壳对几何初始缺 陷又是非常敏感的Ｉ５］，因此，本文对考虑了初始缺陷的 双层柱面网壳的稳定性进行对比分析． ０ ０．１ ０．２ ０．３ ０．４ ０．５ ０．６ ０．７ ０．８ 初始缺陷的分析有两类：一类是随机缺陷法，即认 位移／ｍ 为杆件及安装的误差是随机的，通过随机数据确定结 图５水平荷载作用下临界荷载对比 —＿卜１０／１００；—．＿－１２．５／１００；— １５／１００；—ｏ．１７．５／１００ 构的初始缺陷值，在此基础上再对结构进行稳定分析； ÷÷＿－２０／１００；—’一２２．５／１Ｏ０：—＿ｃ卜＿２５／１００ 另一类是一致缺陷模态法，它通过实测或人为假定，将 结构的缺陷值及分布情况确定下来，然后进行稳定分析 ．本文采用后者，由于结构的特征值屈曲分析的 第一阶模态是最有可能发生的，因此，将第一阶屈曲模态对应的位移值的Ｒ倍，作为结构的初始缺陷． 由于结构的误差值是不确定的，因此，需对不同初始缺陷值对临界荷载的影响进行对比研究，取网壳 的矢跨比为１５／１００，初始缺陷值Ｒ取０（无缺陷）、０．００２、０．００４、０．００６、０．００８、０．１０，不同荷载作用下不同 初始缺陷值对应的临界荷载值见表１． 加 ∞ 如 加 如 加 ｍ ４结论 表１不同初始缺陷值对应的临界荷载 ｋＮ １）在竖向荷载作用下，双层柱 初始缺陷值 面网壳的临界荷载随矢跨比的增大 荷载形式—— ｏ ｏ．００２ ０．００４ ０．００６ ０．００８ ０．０１０ 而增大；水平荷载作用下，临界荷载 全跨荷载 ７３．３３ ６１．５３ ５６．６７ ４８．１５ ４７．８１ ４７．７７ 随矢跨比的增大而减小．全跨荷载 半跨荷载 ７３．Ｏ８ ５９．５３ ５７．９９ ５７．７１ ５７．１６ ５６．７２ 作用下矢跨比为２２．５／ｌｏｏ时结构 水平荷载 ５８．７５ ４３．２８ ４３．３１ ４６．４７ ５１．１Ｏ ５１．２０ 的临界荷载最大． ２）此种形式的双层柱面网壳对非对称荷载并不敏感，可以忽略荷载的不对称对临界荷载的影响． ３）初始缺陷对临界荷载的影响比较大，尤其是在全跨均布荷载作用时影响最大，临界荷载降为无缺陷 时的６５ 左右；水平荷载作用时影响值相对最小．鉴于结构误差是客观存在的，因此，稳定性设计时应考 虑初始缺陷，以考虑最不利影响． ４）结构考虑非线性时的临界荷载较不考虑时的临界荷载有明显的下降，且结构失稳时部分杆件已进 入塑性，因此有必要考虑结构的材料非线性． ［１］张文福，王秀丽．空间结构［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５． ＺＨＡＮＧ Ｗｅｎ－ｆｕ，ＷＡＮＧ Ｘｉｕｑｉ．Ｓｐａｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅＥＭ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ，２００５． ［２］丁云孙，刘罗静，朱洪符，等．网架网壳设计与施工［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００６． ＤＩＮＧ Ｙｕｎ－ｓｕｎ，ＬＩＵ Ｌｕ ｉｎｇ，ＺＨＵ Ｈｏｎｇ－ｆｕ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｉｄ ｓｈｅｌｌ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ，２００６． ［３］陈骥．钢结构稳定理论与设计［Ｍ］．北京：科学出版社，２００３． ＣＨＥＮ Ｊｉ．Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ，２００３． ［４］李丰，孙彦飞，罗梅，等．钢结构塑性稳定设计中问题的讨论［Ｊ］．郑州经济管理干部学院学报，２００５，２０（２）：９３—９４． ＬＩ Ｆｅｎｇ，ＳＵＮ Ｙａｎ－ｆｅｉ，ＬＵＯ Ｍｅｉ，ｅｔ ａ１．Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｓｔｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２００５，２０（２）：９３—９４． Ｅ５－１何志军，丁洁民．大跨钢结构稳定分析几个基本问题的定性讨论ＬＪ］．四川建筑科学研究，２００３，２９（３）：５－７． ３４ 青岛理工大学学报 第３３卷 ＨＥ Ｚｈｉ－ｊｕｎ，ＤＩＮＧ Ｊｉｅ－ｍｉｎ．Ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｂａｓｉｃ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｉｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｉｃｈｕａｎ，２００３，２９（３）：５－７． ［６３ 肖秀兰．网壳结构非线性及随机缺陷分析［Ｄ］．长沙：湖南大学，２００６． ＸＩＡＯ Ｘｉｕ－ｌａｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｆｌａｗ ｏｆ ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｓｈｅｌｌＥＤ］．Ｃｈａｎｇｓｈａ：Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６． （英文校审刘学云） （上接第６页） ［４３陈磊，裴海燕，解军．改善南四湖水质的关键问题分析［Ｊ］．中国给水排水，２００７，２３（２０）：６－１０． ＣＨＥＮ Ｌｅｉ．ＰＥＩ Ｈａｌ—ｙａｎ，ＸＩＥ Ｊｕｒｋ Ｋｅｙ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ Ｎａｎｓｉ Ｌａｋｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｗａｔｅｒ＆Ｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，２００７， ２３（２０）：６－１０． ［５］梁春玲，张祖陆，牛玉生．南四湖水安全评价研究口］．安徽农业科学，２００９，３７（７）：３１７８—３１８１，３３０７． ＬＩＡＮＧ Ｃｈｕｎ－ｌｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｕ－ｌｕ，ＮＩＵ Ｙｕ－ｓｈｅｎｇ．Ｗａｔｅｒ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｓｉ Ｌａｋｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ Ｓｃｉ— ｅｎｃｅ，２００９，３７（７）：３１７８—３１８１，３３０７． ［６３武周虎，慕金波，谢刚，等．南四湖及人出湖河流水环境质量变化趋势分析［Ｊ］．环境科学研究，２０１０，２３（９）：１１６７—１１７３． ＷＵ Ｚｈｏｕ－ｈｕ，ＭＵ Ｊｉｎ－ｂｏ，ＸＩＥ Ｇａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｑｕａｌｉｔｙ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ Ｎａｎｓｉ Ｌａｋｅ ａｎｄ ｉｔｓ ｊｏｉｎｅｄ ｒｉｖｅｒｓ ［Ｊ］．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１０，２３（９）：１１６７—１１７３． ［７３武周虎，张建，路成刚，等．南四湖水质空间分布监测分析与水环境问题解析口］．长江流域资源与环境，２０１１，２０（Ｚ１）：１３７—１４３． ＷＵ Ｚｈｏｕ－ｈｕ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＬＵ Ｃｈｅｎｇ－ｇａｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ— ｔａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ｏｆ Ｎａｎｓｉ Ｌａｋｅ［Ｊ］．Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｙａｎｇｔｚｅ Ｂａｓｉｎ，２０１１，２０（Ｚ１）：１３７－１４３． ［８３ ｗｕ Ｚｈｏｕ－ｈｕ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＺＨＵ Ｊｉｅ，ｅｔ ａ１．Ａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｓｐａｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｎａｎｓｉ Ｌａｋｅ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｄｉａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ：Ｐａｒｔ Ｃ，２０１１，１０：２３２０—２３２８． ［９］金相灿，屠清瑛．湖泊富营养化调查规范［Ｍ］．北京：中国环境科学出版社，１９９０． ＪＩＮ Ｘｉａｇ－ｎｃａｎ。ＴＵ Ｑｉｎｇ－ｙｉｎｇ。Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｋｅ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］。Ｂｅｒｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ， １９９０． －［１０］朱广伟．太湖富营养化现状及原因分析口］．湖泊科学，２００８，２０（１）：２１—２６． ＺＨＵ Ｇｕａｎｇ－ｗｅｉ．Ｅｕｔｒｏｐｈｉｃ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｃａｕｓｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ ｌａｒｇｅ，ｓｈａｌｌｏｗ ａｎｄ ｓｕｂｔｒｏｐｉｃａｌ ｌａｋｅ Ｔａｉｈｕ，Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｋｅＬ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２００８，２０（１）：２１—２６． ［１１］张远，郑丙辉，富国，等．河道型水库基于敏感性分区的营养状态标准与评价方法研究口］．环境科学学报，２００６，２６（６）：１０１６—１０２１． ＺＨＡＮＧ Ｙｕａｎ，ＺＨＥＮＧ Ｂｉｎｇ－ｈｕｉ，ＦＵ Ｇｕｏ，ｅｔ ａ１．Ｏｎ ｔｈｅ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｆｏｒ ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｔｙｐｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｚｏｎｉｎｇ ｏｆ ｅｕｔｒｏｐｈｉｃａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，２００６，２６（６）；１０１６—１０２１． ［１２］王明翠，刘雪芹，张建辉．湖泊富营养化评价方法及分级标准口］．中国环境监测，２００２，１８（５）：４７—４９． ＷＡＮＧ Ｍｉｇ－ｎｃｕｉ，ＬＩＵ Ｘｕｅ－ｑｉｎ，ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ－ｈｕｉ．Ｅｖａｌｕａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｎ ｌａｋｅ ｅｕｔｒ０ｐｈｉｃａｔｉｏｎ口］．Ｅｎｖｉｒｏｎ— ｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，２００２，１８（６）：４７—４９． （英文校审王振国）
