1、第 53 卷 第 3 期2023 年 2 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.3Feb.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20212153国家自然科学基金面上项目(51178009)。第一作者:第一作者:张微敬,博士,教授,博士生导师,主要从事大跨空间结构研究,Email:zhangweijing 。复合式索穹顶结构连续倒塌分析张微敬1,苏岩杰1,于敬海2(1 北京工业大学建筑工程学院,北京 100124;2 天津大学建筑设计研究院,天津 300073)摘要:基于拆除构件法,以一个长轴为 102m 的索穹顶体育馆为工程背景,对外圈为 Levy
2、 式、内圈为 Geiger 式的索穹顶进行了考虑节点等代建模的连续倒塌非线性动力分析,研究单根索破断对杆件内力及节点位移的影响,摸清复合式索穹顶结构的关键构件及结构的抗倒塌能力。仿真结果表明:内、外圈交界处的中环索为复合式索穹顶的关键构件;复合式索穹顶结构具有较好的抗倒塌性能,单根索破坏不会引起结构整体倒塌。关键词:复合式索穹顶结构;连续倒塌;拆除构件法;仿真分析;等代节点 中图分类号:TU394.02 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)03-0097-06引用本文 张微敬,苏岩杰,于敬海.复合式索穹顶结构连续倒塌分析J.建筑结构,2023,53(3):97-102,115
3、.ZHANG Weijing,SU Yanjie,Yu Jinghai.Progressive collapse analysis of composite cable dome structureJ.Building Structure,2023,53(3):97-102,115.Progressive collapse analysis of composite cable dome structure ZHANG Weijing1,SU Yanjie1,YU Jinghai2(1 College of Architecture and Civil Engineering,Beijing
4、University of Technology,Beijing 100124,China;2 Architectural Design and Research Institute of Tianjin University,Tianjin 300073,China)Abstract:Based on the alternate path method,a cable dome with a long axis of 102m was taken as the engineering background,the progressive collapse nonlinear dynamic
5、analysis of the cable dome with outer ring of Levy type and inner ring of Geiger type was carried out considering node equal generation modeling.The influence of single cable breaking on the internal force and joint displacement was studied,and the key components of the composite cable dome structur
6、e and the collapse resistance of the structure were found out.The simulation results show that the intermediate ring cable at the junction of inner and outer rings is the key component of the composite cable dome.The composite cable dome structure has better anti-collapse performance and the failure
7、 of single cable will not cause the whole structure to collapse.Keywords:composite cable dome structure;progressive collapse;alternate path method;simulation analysis;equivalent node 0引言 近年来,索穹顶以自重轻、造型美观等优点得到了工程师的青睐,成功地应用于国内外体育场馆等大跨度屋盖结构1-2。然而这类结构冗余度低,当关键构件破坏后,可能会导致屋盖结构坍塌。郑君华等3对 Geiger 式及 Levy 式两种主要
8、索穹顶结构体系索杆退出工作后的受力性能进行分析,但没有区分不同位置索对抗倒塌能力的影响,认为任意一根索的破断,将导致 Geiger 式体系成为机构而破坏。何键等4采用 ANSYS 对索穹顶结构进行断索分析,揭示了不同位置杆件的安全等级。梁昊庆等5采用线性动力分析方法对跨度为 90m 的肋环人字型索穹顶结构进行了局部索杆失效分析,表明单根杆件破断不会引起结构整体倒塌,外圈杆件的安全等级大于内圈杆件。陆金钰等6提出了一种新型环箍-穹顶结构,基于 ANSYS/LSDYNA 程序研究了断索后结构的抗倒塌性能,结果显示关键单根索杆的破断将导致环箍-穹顶结构发生局部倒塌,但不会引起整体连续倒塌。宗钟凌等7
9、对一直径 6m的葵花型索穹顶试验模型进行单根斜索或脊索瞬间破断倒塌试验研究,表明不同位置拉索的失效对结构的影响程度不尽相同,斜索或脊索破坏不会引起结构发生倒塌。张微敬等8对 Geiger 式索穹顶试验模型进行了多工况下索破断的倒塌试验研究,结果表明单根外环索破坏会导致屋盖结构发生连续倒塌。以上研究均针对某种特定索穹顶结构类型,对复合式索穹顶结构研究较少;由于试验仅能进行小建 筑 结 构2023 年尺寸模型研究,大跨度实际工程索结构抗倒塌能力研究主要依靠数值分析手段。对于索穹顶结构,抗倒塌分析宜采用非线性动力方法,已有仿真分析中大多采用线弹性静力方法,只考虑了索杆破坏前后的平衡态内力,没有给出结
10、构动力响应过程及杆件内力在振动过程中的放大效应。此外,仿真分析中也没有考虑节点的影响。本文基于 ABAQUS 平台,以一个外圈 Levy 式、内圈 Geiger 式大跨度体育馆索穹顶结构为工程背景,进行考虑节点等代建模的连续倒塌非线性动力分析,找出结构关键构件,揭示结构的抗倒塌能力,以期为同类大型结构工程设计提供一定的参考。1分析模型1.1 工程概况 以某外圈 Levy 式、内圈 Geiger 式的新型复合式索穹顶结构为算例9,其屋盖平面投影为椭圆形,长轴 102m、短轴 82m。索穹顶结构由三道环索(NHS、ZHS、WHS)、内环梁(NHL)、四道脊索(JS1、JS2、JS3、JS4)、四道
11、斜索(XS1、XS2、XS3、XS4)组成,模型轴测图及剖面图见图 1。拉索采用强度等级为 1 670MPa 的高钒索,截面面积有五种,分别为1 787、2 494、3 271、6 671、8 855mm2;撑杆采用 Q345圆钢管,截面有三种,分别为 1595、24510、299 10;内圈受拉环梁采用箱形钢梁,截面为6004501818。脊索预应力为 630 5 975kN,斜索预应力为 210 1 113kN,环索预应力为 465 3 298kN。屋面恒荷载取 0.565kN/m2,活荷载按不上人屋面取 0.5kN/m2。将上部荷载作为质量单元施加到节点,取 1.0 恒荷载+0.5 活荷
12、载工况进行分析。图 1 复合式索穹顶结构1.2 有限元建模 利用有限元软件 ABAQUS,采用非线性动力分析方法对外圈 Levy 式、内圈 Geiger 式的新型复合式索穹顶结构进行连续倒塌分析。其中,撑杆采用Beam 单元,索采用 Truss 单元,不考虑索的抗弯刚度;采用初始应变法对索杆进行预应力的施加。索穹顶主要由索、撑杆和节点组成。仿真分析中常假定索杆直接相交,但节点与索相比刚度很大,节点范围内索的本构与节点外索的本构不同,节点的影响不能忽略。张微敬等10利用有限元软件 LS-DYNA,对关键节点处采用实体建模,建立索穹顶多尺度模型,进行了考虑节点影响的连续倒塌非线性动力分析。魏建鹏等
13、11建立 2 个典型子结构的多尺度有限元模型,与试验结果对比验证了多尺度模型分析的正确性,并对单层球面网壳进行了抗连续倒塌分析。由于计算效率问题,基于多尺度有限元模型的倒塌分析仅对关键的 1、2 个节点采用实体建模,且在非线性动力分析中不易收敛,因此难以在大跨度索穹顶结构抗倒塌分析中得到应用。文献12提出一种简化的节点等效建模方法,能近似反映索端的实际受力性能,即利用一组索端线单元模型等效替代全部实体节点模型,通过与实测数据对比,验证了所提节点建模方法的可靠性。本文参考文献12所提方法对节点进行建模,具体过程如下:选取实际工程的两个典型节点,对节点板、螺栓以及索头采用三维实体单元进行建模及装配
14、,设置合理的约束条件,选取恰当的网格尺寸进行网格划分,如图 2(a)所示;以其中一个圆孔作为索与撑杆的连接点,选取合适参数,对其进行拉伸,获得该方向节点实体模型的力-位移关系;同时,建立一个索端线单元模型,见图 2(b);假设该线单元的本构关系以及合理参数,使之与该方向节点实体模型具有相似的力-位移关系,如图 2(c)所示;在对完整结构进行分析时,利用一组不同方向的索端线单元等效替代节点实体模型如图 2(d)所示。完整结构模型如图 2(e)所示。分析时,首先计算完整结构模型,在原始结构计算模型设置重启动分析参数,采用软件中的结果传递功能将完整结构的结果传递至移除杆件的模型;其次,对移除单根索杆
15、的模型进行倒塌分析。2连续倒塌分析 结构中不同杆件断裂后,其余索杆受影响程度不同。为找出复合式索穹顶结构的关键构件,揭示复合式索穹顶结构的倒塌规律,本文在进行倒塌分析时,分别将单根外环索、中环索、内环索、脊索、斜89第 53 卷 第 3 期张微敬,等.复合式索穹顶结构连续倒塌分析索移除,考察其被移除后结构的抗倒塌能力。断索位置、断索后其余索杆测点位置及节点编号见图 3。图 2 索穹顶实体节点和等代线单元节点图 3 断索位置、断索后索杆测点及节点编号为判别断索后大跨度屋盖结构的破坏程度,本文采用 2 个控制指标:1)节点竖向位移。断索后,若存在竖向位移大于 L/250 但小于 L/30(L 为索
16、穹顶结构的短轴方向跨度)的节点,则判别结构局部破坏;若存在竖向位移大于 L/30 的节点,则需计算坍塌面积;2)坍塌面积。若竖向位移大于 L/30 的节点所围成的坍塌面积大于屋盖面积的 30%,则判别索穹顶结构发生整体连续倒塌;否则,判别索穹顶结构发生局部倒塌。为了解单根索杆破断后,对其他杆件内力的影响,定义杆件内力放大系数为:=Fmax/F0(1)式中:F0为断索前各杆件内力;Fmax为断索后各杆件内力波动过程中的最大值。2.1 移除一根外环索 移除单根外环索 WHS-1 后(位置见图 3(a),相连外撑杆底部节点失去一侧外环索的约束发生移动,导致其倾倒明显,与外撑杆相连的外环索、外斜索松弛,应力急剧降低,其余外撑杆沿环向发生不同程度倾斜,外环索、外斜索由断索位置向两侧出现松弛,且出现松弛的索杆数量增加。结构应力云图和位移云图见图 4。由图 4 可知,移除外环索后,其余杆件应力在-200681MPa 之间,竖向位移在-1.6583.769m 之间。移除外环索 WHS-1 后,相邻脊索、斜索及环索(位置见图 3(b)的应力变化如图 5 所示。由图 5可以看出,外斜索 XS5 应力波动幅
