大跨单层异形钢网壳整体稳定承载力分析

摘要

周口店遗址第一地点(猿人洞)保护建筑工程为文物保护设施建筑,为保护北京人遗址猿人洞免受雨雪等灾害,在猿人洞上方建设大跨度保护棚,建筑外形由周边山体等高线回归后得到,为不规则空间曲面.主体结构为大跨度单层钢结构,在主体结构上下设叶片,上叶片局部做种植槽,种植攀爬植物,下叶片用玻璃钢模拟山体造型;植物长成后,将使工程的内外皆融入遗址环境之中,隐伏于树木掩映之下,使其与遗址浑然天成,最终达到建筑本身融入周围环境,恢复猿人洞数万年前形态的设计理念.为实现对遗址的最小化干扰,尽量减小结构体量,减少对周围环境影响,主体结构采用大跨度单层异形钢壳体结构,单层网格结构厚度薄,为上下叶片的安装创造了条件.本工程大跨单层异形钢网壳纵向水平投影距离为79 m,横向水平投影距离为55 m,最大斜向跨度为83 m,基础高差为33 m,通过山顶和山脚两排铰接支座进行支撑.单层网格结构安全性常常受稳定性控制,结构缺陷和边界条件对稳定承载力的影响需进行深入分析.为准确评估本工程大跨单层异形钢网壳的整体稳定性,采用三维双重非线性有限元方法进行研究.通过ANSYS软件分析了结构的整体稳定极限承载力,分析了缺陷幅值和不同缺陷分布形式以及弹簧支座刚度对结构整体稳定极限承载力的影响,通过荷载-位移全过程曲线得到了本工程异形钢网壳的稳定极限承载力.分析发现:本工程异形钢网壳为大跨度复杂空间结构,由于其结构本身高低起伏变化,为非理想壳体,其整体稳定极限承载力对缺陷分布形式及缺陷幅值不敏感,按JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》规定选用一阶屈曲模态分布形式并按斜向跨度的1/300对结构施加初始缺陷可以满足设计要求;本工程异形钢网壳的稳定极限承载力对边界条件比较敏感,为保证结构的整体稳定性应选择铰接支座,且在设计时应重点关注基础的抗推能力;本工程异形钢网壳杆件本身的缺陷对整体稳定极限承载力影响很小,为方便计算可仅考虑结构的整体初始缺陷;本工程异形钢网壳的整体稳定安全系数为3.58,满足JGJ 7—2010的要求,结构整体稳定性能有保证.通过ANSYS软件分析了本工程异形钢网壳的动力稳定性能,分析表明:本工程异形钢网壳动力稳定性能比较好,结构动力失稳时的地震动幅值可达到0.8g.对本工程异形钢网壳典型构件施加单位力并进行特征值分析以得到构件的弹性屈曲荷载,再通过欧拉公式反算得到了构件的面外计算长度系数.分析表明,选取面外计算长度系数1.6完全满足结构设计要求,为用常规软件进行结构分析提供了取值依据.