[发明专利]一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系及其应用

权利要求书

1.一种新型拉杆式单层柱面温室网壳结构体系，其特征在于，在柱面网壳横断面处设有斜拉杆，具体布置斜拉杆的方式为网壳面内及面外布置拉杆，拉杆式单层柱面温室网壳自重g＝0.13kN/m²，最大承载力可达2.1kN/m²，横向布置拉杆大幅度提高了网壳极限承载力，极限承载力最大提高55％；通过对拉杆施加预应力，四边支承柱面温室网壳极限承载力最大提高6％，同时对提高网壳的初始刚度起到一定作用；极限承载力受竖向不对称荷载分布影响有增大趋势，当p/g＝0.25时，网壳极限承载力最大提高25％；极限承载力相对弹性极限承载力有大幅度降低，塑性折减系数在0.55～0.85之间，表明按照弹性极限承载力的50％估算结构实际承载能力是偏于不安全的；其中拉杆式单层柱面温室网壳结构体系的分析方法，其步骤如下：

(1)采用通用有限元软件ANSYS，结合自编的前后处理程序，构建了结构荷载-位移全过程分析的标准化流程；分析中，节点假设为刚接，杆件的模拟采用软件自定义的Beam189梁元，该梁元为3结点二次梁元，基于Timoshenko梁元理论，在非线性分析中考虑大变形、大转角和大应变效应；

(2)为说明杆件截面的塑性发展程度，每个截面有8个积分点，定义1P表示有1个积分点进入塑性，8P表示全截面进入塑性，以此类推；

(3)拉杆采用link180杆单元，具有塑性、变形和应变功能，在非线性分析中仅考虑在受拉过程中具有刚度；通过Von Mises屈服准则及流动方程，定义杆件轴向塑性应变分量，实时输出杆件截面的塑性发展状况，对加载过程中结构内部的塑性发展实现全程可视化跟踪；

(4)结构的非线性有限元分析进行平衡路径跟踪时，采用线性逼近方法，且假定荷载与结构变形无关，任意时刻的平衡方程如下所示：

^tKΔU⁽ⁱ⁾＝^t+ΔtR-^t+ΔtF^(i-1) (1)

其中^t+ΔtR，^t+ΔtF^(i-1)，分别为t+Δt时刻外部所施加的节点荷载向量和相应的杆件节点内力向量，^tK是t时刻结构的切线刚度矩阵，ΔU⁽ⁱ⁾是当前位移的迭代增量；

(5)温室结构采用拉杆式双向网格形式单层柱面网壳，并分别采用两纵边支承和四边支承两种支承形式，网壳两端为约束边时，不施加X向约束(u≠0)；纵向和两端网格数均为6，按常规设计杆件采用圆管截面φ146×8.0mm，在双向网格对角处及横断面处布置斜拉杆，拉杆截面均为φ20mm，网壳中心横断面处竖杆长度取矢高的1/4，采用φ20梁元；网壳跨度b均取30m；矢跨比f/b＝1/4、1/5、1/6；

(6)在进行初始几何缺陷的分析过程中，利用特征值缺陷模态法将结构的最低阶特征屈曲模态作为初始几何缺陷的最不利分布模式，缺陷的最大值在基本分析中取网壳波宽的1/250、1/300、1/500、1/750或1/1000，对于部分算例分析了更多大小不同缺陷对结构弹塑性稳定性能的影响；其控制方程为：

(K_e+λK_g)φ＝0 (2)

式中，λ为特征值，φ为特征位移向量，K_e为结构线弹性刚度矩阵，K_g为结构几何刚度矩阵；

(7)结构的稳定性能可以从荷载-位移全过程曲线中得到完整的概念，结构非线性有限元分析进行平衡路径跟踪时，采用球面弧长法，给定若干个加载增量步，在每个增量步内，根据给定的荷载增量或给定的位移增量，经过一系列迭代计算，追踪结构真实的加载路径，最终获得结构的极限荷载，约束方程为：

{(^t+Δtl^(i-1)-^tl)+Δl⁽ⁱ⁾}²+ΔU^(i)TUⁱ＝ΔL² (3)

经计算，拉杆式单层柱面网壳自重g＝0.13kN/m²，考虑满跨均布和半跨均布两种荷载分布形式；其中，恒荷g满跨分布，活荷载p可满跨均匀分布也可半跨均布；对于结构的活荷载不对称分析形式，考虑了活荷载p与恒荷载g的三种比例：p/g＝0、1/4、1/2。