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异型混凝土壳体大跨屋盖整体稳定分析研究
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  • 发布时间:2021-09-03
资料介绍

异型混凝土壳体大跨屋盖整体稳定分析研究
花炳灿 安东亚 朱 江
(华东建筑设计研究院有限公司,上海200041)
【摘要】针对异型钢筋混凝土壳体结构在整体稳定的计算分析方法、荷载因子限值等方面存在的问题,开展了理
论和实践研究。提出了采用通用有限元程序Abaqus进行考虑混凝土强度破坏的壳体稳定分析方法,并探讨了大
型混凝土壳体强度破坏和失稳破坏相互耦舍时的合理安全因子,建议该系数可取为2.0。最后以大同大剧院项目
为案例进行实践研究,结果表明该屋盖结构以材料强度破坏为主导,综合安全系数满足要求。本文采用的分析和
评价方法对其它类似结构具有参考意义。
【关键词】异型混凝土壳体;屈曲;荷载因子
【中图分类号】TU33:TU311.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674—7461(2014}06—0030—05
1 引 言
大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构,即壳
体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20,为薄
壁空间结构的一种,它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和
扭壳等多种形式。他们的共同特点在于通过发挥
结构的空间作用,把垂直于壳体表面的外力分解为
壳体面内的薄膜力,再传递给支座,弥补了板、壳等
薄壁构件的面外薄弱性质,以比较轻的结构自重和
较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大
跨度。规则壳体的强度和稳定问题已经有较多的
理论研究和工程应用。为了适应复杂的建筑造型
需求,近些年开始出现异型的混凝土壳体结构,这
种壳体与规则壳体的最大区别在于它的受力更为
复杂,其强度计算和稳定计算都无法采用规则壳体
的理论公式。目前对于稳定分析问题尽管研究较
多_1.2’3 J,对于钢结构来讲其理论和基于大型程序的
计算分析方法已经相对比较成熟,但混凝土结构,
特别是混凝土壳体结构,其稳定问题具有其自身的
特殊性:一、钢筋混凝土材料本身并不支持大变形,
其强度破坏和失稳通常相互耦合、彼此诱发,因此
单独计算分析往往与实际情况不符,更多需要将二
者同时考虑;二、现有计算程序对处理混凝土结构
的失稳破坏过程尚存在困难。大同大剧院即为一
大型的混凝土壳体工程,本文以此工程为对象,对
其整体稳定性问题进行了计算分析研究,包括特征
值屈曲和考虑混凝土材料强度破坏的非线性屈曲。
2 考虑材料强度破坏的整体稳定分析方法
近年来,随着网架、网壳、索网结构的不断发
展,国内外学者对结构非线性稳定分析不断深入,
发现对结构进行全过程非线性跟踪分析是全面了
解结构受力性能的有效手段,国内外许多学者都致
力于非线性跟踪技术的研究,迄今为止,这一研究
领域已取得长足进步,提出不同方法,如塑性铰法、
有限分割变刚度法、残余力法、有限分割有限元法
及网壳结构弹塑性大位移全过程分析法。非线性
跟踪分析研究重点主要集中在以下几个方面,荷载
水平确定;临界点的计算方法及判别准则;越过临
界点的方法和后屈曲路线跟踪方法等。
解决非线性问题的基本方法是增量迭代法,它
是基于牛顿法而进行的,如果迭代初始点靠近真实
路径,该法会有较好的收敛性,因此,必须根据合适
的参数控制技术选定一个己知的邻近点,并从该点
(通常是未加载状态)逐步进行路径跟踪。常用的
参数控制有荷载、位移参数或同时考虑荷载和位移
的参数。理想的方法是可以跟踪结构加载路径的
完全前、后临界状态,包括软化和硬化性状,并能处
【作者简介】 花炳灿(1965一),男,教授级高工。主要研究方向:复杂建筑结构设计技术。
异型混凝土壳体大跨屋盖整体稳定分析研究 31
理和在极值点和变形极值点。但是,荷载控制法在
通过极值点时失败了,而位移控制又不能处理跳回
现象,且选择合适的位移控制点比较困难。过去二
三十年里,各国学者为此作了大量研究,提出了大
量非线性平衡路径跟踪方法,如弧长法、当前刚度
法、能量平衡技术、自动求解技术及软化曲线法等,
其中Crisfield和Roma等人改进后的弧长法由于概
念简单明了、计算方便可靠,目前已经成为解决非
线性极值问题的最有效和最常用的方法。
上述方法对于空间钢结构具有较好的适用性。
但对于异形钢筋混凝土壳体结构,考虑混凝土材料
的弹塑性性能、开裂损伤、刚度退化等因素后,非常
不容易收敛,采用通常控制收敛的方法,如弧长法
等都没有办法完成整个计算。因此本文提出采用
拟静力的求解方法,及采用ABAQUS中显式积分方
法,即将整个非线性加载过程模拟为一个动力加载
过程,控制适当的加载速度、阻尼,来达到消除由于
加载速度带给结构的惯性效应。该方法可参考
ABAQUS的技术手册 J。采用钢筋和混凝土的材
料本构关系见图1一图2。

图1 钢筋材料本构关系曲线
/^\ D / f/、 \ 一
一-一= \ (1_dt)
图2 混凝土材料本构关系曲线
3 混凝土壳体稳定安全因子的合理限值和
控制方法讨论
《空间网格结构技术规程》(JGJ7—2010) 规
定:网壳稳定容许承载力(取荷载标准值)应等于网
壳稳定极限承载力除以安全系数K。当按弹塑性
全过程分析时,安全系数 可取2.0;当按弹性全过
程分析、且为单层球面网壳、柱面网壳和椭圆抛物
面网壳时,安全系数K可取为4.2。
目前对混凝土壳体失稳的判断,现行规范没有
给出明确的荷载因子的限值。《钢筋混凝土薄壳结
构设计规程》(JGJ 22_2012)仅对双曲扁壳给出了
在法向荷载作用下的稳定验算公式[6]:
等曲率扁壳:q ≤0.06E k2t2
不等曲率扁壳:q ≤0.06E k】k2t2
式中:q 一法向荷载设计值
k。、k 一壳体中曲面的主曲率
t一板壳厚度
结构的稳定安全系数准确地讲,应该是荷载安
全系数,即针对某一种荷载的承载能力安全储备系
数,因而它不能反映拱结构整体的稳定安全度。但
是这个系数在极限承载力分析中很容易获得,同时
具有很强的工程意义,是一个很好的评价指标 ]

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