马鞍形索穹顶结构的力学性能分析

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/b27445789.html,

马鞍形索穹顶结构的力学性能分析

作者：尤国强梁计锋孙豪

来源：《电脑知识与技术》2015年第21期

摘要：该文首先介绍了两节点索单元有限元模型及其刚度阵的详细组成，然后采用该类索单元建立了马鞍形索穹顶整体结构的有限元模型，并对这一索穹顶结构进行了静力性能分析，最后得到了整体结构的静力平衡形态及索网中的预张力分布和节点位移结果。

关键词：两节点索单元；有限元模型；马鞍形索穹顶；索网结构；预张力

中图分类号：TU31 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）21-0198-02

1 概述

索网张拉式建筑结构是一种与传统刚性建筑结构有着很大区别的特殊结构。该类结构具有造价低、跨度大、质量轻和造型美观新颖等主要优点，但由于此类结构中包含的索网为柔性体系，需要对其预先施加一定的预张力，才能使整体结构具有指定的刚度和形状。因此索网张拉结构的设计和分析方法均不同于传统刚性结构[1]。

索穹顶结构是一类典型的索网张拉式建筑结构。根据索网在索穹顶结构中的使用情况，该类结构又可分为索网支撑型索穹顶结构和索网悬挂型索穹顶结构。索网支撑型索穹顶结构与常见的提拉索桥结构相似，在此类索穹顶结构中，索网仅起到辅助承担载荷的作用，结构形式也较为简单；而索网悬挂型索穹顶结构中的索网—作为建筑结构屋顶的主要组成部分，一般具有数量众多的索单元和复杂的结构形式，当对其施加预张力后，索网可以形成具有特定形状的屋顶造型[1-2]。本文所研究的马鞍形索穹顶结构即为索网悬挂型索穹顶结构，其结构形式如图1所示。

非线性有限元法是目前用于分析计算索穹顶结构的最为主要的方法之一。本文采用两节点直杆索单元建立了如图1所示的马鞍形索穹顶结构模型，并通过非线性有限元法对该模型进行了静力分析。

2 索网结构非线性有限元法概述

索网结构在施加预张力之前是柔性体，没有确定的形状和刚度。只有对其施加一定的预张力，它才能够具有确定的形状并实现承受外部载荷的功能。索网结构在施加预张力成形的过程中，将处于大位移、小应变的状态，而在对此类结构进行分析计算时，通常需要考虑这一特殊状态所对应的几何非线性问题[3]。本文采用的两节点直杆索单元模型，可以针对索网结构的

几何非线性特点，利用位移-应力非线性关系建立索网结构的有限元刚度方程，并对其求解。

在使用两节点直杆索单元时，需要首先作如下假设：