摘要：网架结构是一空间铰接杆件体系它的损坏通常是从杆件的损坏开始的，要对网架结构极限承载力进行优化设计，首先需从杆件的稳定性进行分析研究。因此本文在计算中引入基于中部塑性铰的压杆模型，在静力荷载下对网架结构进行弹塑性追踪分析，验证了杆件失稳对网架结构极限承载力和破坏模式有显著影响。基于网架的破坏模式，提出了通过修改受压杆件计算长度系数提高网架极限承载力的满应力优化方法。
关键词：网架结构；极限承载力；优化设计方法
网架结构因其组成形式灵活多样、节点连接简便可靠、受力模式合理等优点，在大跨度工程中得到了普遍采用，如何准确计算网架的极限承载力和确定其破坏模式是网架结构研究分析的关键点。目前，网架结构设计中通常采用的满应力设计方法是对构件的承载力进行校核，并计算结构变形，以满足各自要求来保证结构的安全，而不考虑结构整体稳定性及相应的极限承载力。但是，构件的承载能力由设计荷载确定，如在极限承载力的计算中未考虑压杆失稳，则在结构达到极限荷载之前。杆件实际上已经发生了失稳，所得的结构极限承载力和破坏模式是不正确的，因此需要在计算中考虑压杆失稳。基于网架整体极限承载力由压杆屈曲失稳控制的理论，提出了加大压杆计算长度系数来提高网架结构承载力的方法．对多个网架结构算例进行了极限承载力分析表明加大压杆计算长度系数，对于其他跨度网架结构极限承载力的提高较为有效。通过适当提高压杆的计算长度系数，在用钢量增加不多的情况下，可大幅度提高网架结构的极限承载力，并可相应提高网架结构的抗连续倒塌能力。
一、网架杆件失稳分析
常见的正放四角锥网架，尺寸在42m×42m，高度不会超过2.5m，Q235钢是主要的材料，静荷载为1kN/m2，设计的荷载为0.5kN/m2，支座是周边简支切向约束，利用满应力设计方法来确定杆件的截面。在此期间利用有限元分析软件，分析网架结构的承载力与稳定性。分析的最后结果表明，增加单根杆件的单元数目，计算结果的精度就会随之提高。相比于单杆4单元，单杆6单元的精确度可以说明显提高，但是单杆8单元的计算结果与6单元相差不多。因此，可将单杆件分为6个单元来进行分析。考虑应变强化的双线性随动强化模型，曲线中强化段的斜率用的是0.13，根据这一缺陷，需要利用荷载增量方法来增加荷载。通过对比可了解到，尚未计及杆件失稳的网架结构，失效的主要原因是结构位移在不断增加，破坏整个网架结构。但是考虑压杆稳定网架结构，引起失效的主要原因是网架跨中上部分的压杆出现屈曲，而表现出失稳。这时候就会导致相连的杆件出现失稳。失稳一旦产生，就会向结构周边扩散，导致整个结构失去承载能力。这时候结构就会被压溃，破坏整个网架结构。其次，未计及杆件失稳的网架结构，最大位移与极限荷载将会是考虑杆件失稳网架结构的15.2倍和7.8倍。由此就可发现，网架结构极限承载力与破坏模式其实受到杆件失稳的严重影响。再次，分析荷载位移，未计及杆件失稳的网架结构曲线，荷载逐渐增加的时候，水平位移发生的变化会比较明显，而此时网架结构就会被破坏。事实上，这种结果与当初实验不一致。但是需要充分考虑杆件失稳网架结构。跨中受压杆件出现屈曲前，网架荷载与位移曲线将会呈现出线性变化。但是如果压杆出现屈曲失稳，而荷载并没有明显增加，那么网架结构失稳将会在很短的时间内被破坏，表现出脆性破坏。整个网架的塑性发展将会变得不充分。
二、基于网架结构极限承载力的优化设计方法
在设计网架结构的时候，通常会使用满应力方法。采用这种方法主要校核构件的承载力，同时计算结构变形程度，以此满足结构安全。这种设计方法并不会考虑结构整体的稳定性与极限的承载力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而设计的荷载将确定构件承载力，如果在计算极限承载力的时候，并未考虑压杆失稳，那么在网架结构尚未达到极限前，就已经出现失稳，此时获得的极限承载力与破坏模式就不准确。所以基于极限承载力最优的目标，并根据前面分析得到的网架破坏模式，下面给出基于极限承载力的优化设计方法：
1.基于极限承载力的优化设计方法，网架的失效主要是由于受压杆件失稳，故相应地在该方法中通过加强压杆来提高网架结构的极限承载力。基于极限承载力的优化设计方法，是一种应用于满应力设计完成后，目标为极限承载力最优的网架优化方法，在用钢量略有增加的基础上，能够显著提高网架的极限承载力。由于与杆件计算长度系数相应的长细比决定压杆的稳定系数，所以在工程设计中，可以通过提高压杆计算长度系数的方法来加强压杆截面。首先，对结构完成满应力设计，并分析其极限承载力，如果已经达到承载力要求则完成设计。如果未达要求，则提高受压弦杆的计算长度系数，进行相应的优化设计，完成后再次对极限承载力及用钢量进行验算，比较极限承载力提高比例是否大于用钢量提高比例，如果大于，且承载力达到要求，则完成设计；承载力未达到要求，则继续提高受压弦杆计算长度系数，如果用钢量提高比例大于极限承载力提高比例，则提高受压腹杆计算长度系数，进行相应优化设计，并同样对极限承载力提高比例和用钢量提高比例进行比较，直到最终完成优化。
2.抗连续倒塌性能分析，网架的破坏实际上是一种具有脆性特征的连续倒塌，它的破坏具有连续倒塌的三个重要特征。1）始于结构局部杆件的破坏，对于网架来说，未进行优化设计时，通常是由于中部几根受压杆件的屈曲引起整个网架结构的失效。2）破坏向周围构件发展．双层网架结构的一些关键受压构件一旦发生局部失效。可能引发“多米诺骨牌效应”，致使与该构件平行布置，承担相同法向荷载的构件依次屈曲，最终导致整个网架连续倒塌，通过对两起空间网格结构工程事故的调查验证了以上观点。3）失效与初始构件破坏数量不成比例。网架结构的失效通常只是由最初几根压杆屈曲而导致的，而网架整体的坍塌与几根压杆的屈曲相比是不成比例的。基于极限承载力的优化方法正是从这三个方面入手来防止网架的连续倒塌．首先，通过提高受压弦杆的计算长度系数，从整体上来提高上弦压杆的承载力和刚度，防止因上弦压杆的局部失效而导致的网架连续倒塌；其次，整体加强上弦受压弦杆，也可阻止中部受压弦杆形成塑性铰区域而向周边迅速发展；最后，通过该方法进行优化后的网架，由于压杆的整体加强，有效地提高了整体结构的承载力，防止因某些关键受压构件的破坏而导致整体结构的失稳。
以上分析表明，基于极限承载力的优化方法可通过提高受压弦杆以及受压腹杆的计算长度系数，改变网架结构的失稳模式，避免网架因局部压杆的屈曲发生连续倒塌，从而提高网架的整体性和改善网架的延性，对防止网架的连续倒塌具有明显的效果。
三、结语
综上所述，杆件屈曲对网架结构的极限承载力有较大影响，所以计算网架极限承载力时须考虑压杆屈曲的影响，网架极限承载力主要由压杆承载力控制。网架结构由于受压杆件屈曲失稳造成的结构失稳破坏，破坏过程十分迅速，破坏具有明显的脆性特征。针对网架结构的失效模式，在设计中应采取加强受压杆件的措施，通过采用基于极限承载力的优化设计方法，在用钢量略有增加的同对，可有效地提高结构的极限承载力，并且通过加强压杆可明显提高网架延性，使网架由脆性破坏逐步变化为延性破坏。同时提高压杆的计算长度系数，可明显改善网架结构的脆性破坏特征，网架压杆的应力变化率可作为衡量网架失效时刻的物理量。
参考文献：
[1]丁阳，郭峰，李忠献.地震作用下空间网架结构考虑损伤累积效应的弹塑性分析[J].工程力学，2018（01）.
[2]任茂源.空间网架结构极限载荷的有限元法追踪分析[J].上海应用技术学院学报（自然科学版），2017（03）.
论文作者:张晓曼
论文发表刊物:《基层建设》2019年第10期
论文发表时间:2019/7/30
标签：网架论文; 承载力论文; 结构论文; 极限论文; 荷载论文; 屈曲论文; 系数论文; 《基层建设》2019年第10期论文;