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索支撑空间网格结构是一种适合于玻璃采光顶结构特点的新型单层网壳结构形式。每个网格单元为平面四边形,方便了玻璃面板的制作和安装,提高了结构的通透性。面内对角向的交叉支撑索提高了四边形网格的面内剪切刚度,使结构整体成为一种由刚性梁单元和柔性索单元共同组成的混合结构。使用表面滑移法,通过准线和母线的相互滑移进行索支撑空间网格结构的曲面生成和网格划分。该类结构以弹性失稳为主,整体稳定承载能力较弱,需着重考虑。同时其是缺陷敏感型结构,需要考虑初始缺陷对稳定承载力的影响。索支撑空间网格结构节点构造特殊,常采用平面内铰接,平面外刚接的半刚性节点。
目前,对索支撑空间网格结构静力稳定承载力的计算主要采用有限元法,相比于解析法物理意义不够清晰,也无法为工程技术人员提供方便实用的计算公式。半刚性节点的索支撑空间网格结构稳定性能相关研究也较少。
本文基于连续壳体理论,以椭圆抛物面索支撑空间网格结构和联方柱面索支撑空间网格结构为研究对象,推导了具有初始缺陷的两种壳体结构的几何方程、物理方程、平衡方程。使用静力法求解几何方程、物理方程、平衡方程,得到了具有初始缺陷的两种壳体结构线性稳定承载能力计算公式。从网格的受力性能出发,推导了两向正交索支撑网格及联方索支撑网格的等代刚度,包括轴向刚度、剪切刚度、弯曲刚度、扭转刚度,并讨论了拉索对网格剪切刚度的影响。通过有限元数值算例验证了公式,分析了误差产生原因,提出了误差修正系数,并通过数值算例验证了修正公式的准确性。
本文使用弹簧单元建立了半刚性节点的椭圆抛物面索支撑空间网格结构和联方柱面索支撑空间网格结构的有限元模型。使用有限元方法,同时考虑几何非线性和物理非线性,考察了半刚性节点的两种索支撑空间网格结构的稳定承载能力,比较了与刚性节点连接的结构稳定承载能力的差别。通过参数分析考察了钢杆件截面、索截面、索初始预应力、矢跨比以及荷载分布形式等对结构稳定承载能力的影响,提出了采用半刚性节点的两种索支撑空间网格结构稳定承载能力修正系数。
研究结果表明:基于连续壳体理论得到的具有初始缺陷的两种索支撑空间网格结构的稳定承载能力计算公式表达形式合理,物理意义明确。考虑折减系数后,理论公式具有较好的精度。索支撑网壳结构中的索体现的是对网格抗剪刚度的提高,索初始预张力不宜过高。半刚性节点的两种索支撑空间网格结构稳定承载能力均比完全刚接的结构低约10%,半刚性节点对结构的极限承载力影响不大,节点在网格平面内设计成铰接合理。矢跨比、钢杆件截面、索截面是两种索支撑空间网格结构极限承载力的重要影响因素。