单层倒悬链型柱面网壳的非线性稳定性研究

针对拱准线形式为悬链线的单层倒悬链型柱面网壳结构,首先对比分析了其常见的3种网格形式的稳定性能,确定了一种合理的网格布置形式,然后与单层圆柱面网壳的稳定性作了比较,最后进行了大规模的参数分析,较全面系统地研究了单层倒悬链型柱面网壳的静力稳定性,包括长宽比、矢宽比、杆件截面尺寸、初始几何缺陷和荷载不对称分布各参数对结构极限荷载的影响.研究表明:常见网格形式的单层倒悬链型柱面网壳,以斜杆I型的整体稳定性能最好,且相比单层圆柱面网壳,其刚度和极限承载力都得到了较大的提高;长宽比、矢宽比对单层倒悬链型柱面网壳极限承载力影响显著并具有良好的规律性,结构横向加劲肋间距应小于横向宽度;网壳极限承载力与截面等效刚度呈线性关系;初始几何缺陷对结构影响较显著,当缺陷达到波宽的1/300时,网壳极限荷载最大降低达57%;结构对不对称荷载作用不敏感.     

抛物线型单层柱面网壳的非线性稳定性

对抛物线型单层柱面网壳的静力稳定性能进行了研究.比较了抛物线型单层柱面网壳与圆柱面单层柱面网壳和倒悬链线单层柱面网壳的静力稳定性能.对抛物线型单层柱面网壳进行参数分析,并对抛物线型单层柱面网壳进行结构优化.研究表明:与圆柱面网壳相比,抛物线型单层柱面网壳的极限荷载有大幅度增大;长跨比、矢跨比对网壳的极限荷载影响显著;初始几何缺陷对网壳的极限荷载有较大影响;网壳的斜杆相交角在50°左右,网壳的静力稳定性能最好;按等比数列布置拱向网格间距,比值α的取值在0.85到0.95之间时,网壳的静力稳定性能最好.     

蜂窝网格型球面网壳的非线性稳定性研究

针对单层蜂窝网格型球面网壳利用有限元软件ANSYS对其进行了非线性稳定性研究.首先对两类蜂窝网格型球面网壳的稳定性能进行对比分析,确定了一种比较合理的网格布置形式.然后进行参数分析,分析了跨度、矢跨比、网格大小、初始缺陷、荷载不对称分布和材料非线性对网壳稳定性的影响.研究发现:在两类蜂窝网格形式的球面网壳中,网格Ⅰ型的整体稳定性能更好;分析建议其跨度不宜大于40m,矢跨比取0.25左右,杆件长度取2m左右,此时网壳整体稳定性较好,材料利用率较高;材料非线性对单层蜂窝网格型球面网壳的稳定承载力影响显著,考虑材料非线性后,网壳稳定承载力下降达50%;网壳对初始缺陷非常敏感,其理论最大缺陷值为跨度的1/150,此时网壳极限承载力最大下降达52%左右;网壳结构对荷载不对称分布不敏感.     

单层网壳结构非线性稳定的随机缺陷模态法研究

采用随机缺陷模态法对凯威特–联方型单层网壳进行非线性稳定分析,研究了随机缺陷空间样本数量、矢跨比等因素对网壳结构稳定极限荷载的影响,并将随机缺陷模态法计算结果与一致缺陷模态法计算结果进行了对比.结果表明:采用概率统计方法对该网壳进行稳定分析时,随机缺陷样本数量应不小于90;对于矢跨比较大的单层网壳结构,采用一致缺陷模态法计算稳定临界荷载的概率可靠度较低,需要采用随机缺陷模态法加以验证;当网壳结构的矢跨比小于1/6时,两种初始缺陷分布方法计算出的稳定承载力较为接近.     

拉杆式柱面温室网壳的稳定性能分析

双向网格型单层柱面网壳透光好,耗钢量低,适用于温室结构设计.为了进一步拓宽网壳跨度,通过布置拉杆的方式确保网壳具有足够的刚度,开发了大跨度拉杆式单层柱面温室网壳体系.本文以大规模参数分析作为研究手段,利用通用有限元程序ANSYS以及自编的前后处理程序,针对拉杆式柱面温室网壳开展800余例非线性全过程分析,通过结构极限承载力论证布杆方式的有效性,考察了屈曲模态、塑性发展分布等特征响应,总结长宽比、矢跨比、拉杆预应力、初始几何缺陷、荷载不对称分布等因素对温室网壳弹塑性稳定承载力的影响规律.为使温室网壳安全可靠度可以得到有效的保证,做到充分考虑初始几何缺陷对网壳结构稳定性能的影响,文中采用"3σ"原则对塑性折减系数进行重新核定,取值范围为0.60~0.88.     

单层叉筒网壳静力与稳定性研究

为适应作为封闭巨型网格结构大网格的子结构的需要,采用考虑几何非线性的有限元方法,首先对不同矢跨比与起坡度条件下的脊线型叉筒网壳结构进行了稳定性分析,包括失稳模态、极限载荷、屈曲全过程及一系列参数分析;然后分析了不同起坡度条件下结构的静力性能．研究发现：叉筒网壳是一种柔韧性非常好的结构,不会发生跳跃式的脆性失稳;矢跨比为1／6时的稳定性最好,对底面起坡不敏感,是作为封闭巨型结构大网格的子结构的最优矢跨比．     

加强型钢网壳结构的空间稳定性分析

为了加强型钢网壳结构的更好应用,通过使用有限元软件ANSYS,利用弧长法对结构进行几何非线性全过程分析,得出荷载-位移曲线,分析结构的整体稳定性能,与纯单层柱面网壳进行对比;并与平面内结构稳定极限承载力对比,阐述空间分析的必要性.之后分析不同跨度下矢跨比、不对称荷载和初始缺陷各参数对结构的影响.结果表明,结构的稳定极限承载力和刚度有较大的提高.     

矩形平面单层球面网壳的静力稳定性

针对底面为矩形的球面网壳结构,分析了常见三种网格形式的非线性稳定性能,选出其中性能较合理的一种网格形式,通过大规模参数化分析,较为系统地研究了矩形平面单层三向球面网壳结构的稳定性能,并给出了其极限承载力拟合公式.研究结果表明:常见网格形式中三向网格矩形底面球面网壳的稳定性能最优;极限载荷与结构等代刚度呈线性关系;初始几何缺陷对网壳极限载荷影响非常明显,当初始缺陷值取L/300时,极限载荷降低率在53.5%~65.8%之间;结构对载荷不对称分布并不敏感;立体桁架能够显著提高结构的极限承载能力.     

基于增量动力分析方法的单层球壳结构强震损伤分析

为研究地震作用下空间网格结构的倒塌过程及其破坏行为,进而揭示结构的倒塌机理,基于增量动力分析方法(dynamic analysis method, IDA),以单层球面网壳结构为研究对象,考虑材料损伤累积效应,模拟网壳结构在地震作用下的倒塌过程,并分析不同杆件截面尺寸、矢跨比、初始几何缺陷、支座约束数量等参数对结构抗倒塌能力的影响。结果表明:强震作用下,考虑损伤后网壳结构的动力极限承载力比未考虑损伤时其极限承载力下降了20%左右,塑性单元比例上升10%左右;其他参数一定时,加强杆件截面以及矢跨比的减小,均能提高网壳的动力极限承载力,网壳对初始几何缺陷十分敏感,缺陷为跨度的1/100时其极限承载力比完整结构降低30%左右,支座约束减半后,损伤累积效应使结构的地震承载力降低10%左右。因此在结构设计之初,应考虑材料损伤累积效应的影响。     

不同极限状态下弦支筒壳结构的力学性能和可靠性能

提出一种预应力空间结构体系——弦支筒壳.采用基于响应面函数的蒙特卡罗法,运用APDL语言编制相应的计算程序;研究了弦支筒壳的稳定性及其整体屈曲失效模式下的可靠性;分析了矢跨比、垂跨比、撑杆数目和预应力作用等对结构承载力和变形失效模式下可靠性的影响,给出了基于结构可靠性的上述参数的合理取值.分析结果表明:弦支筒壳的屈曲特征值、非线性屈曲临界荷载值和整体稳定性的可靠度指标均比单层筒壳大幅度提高;矢跨比和垂跨比对结构可靠度的影响较大,而撑杆数目对其影响较小;预应力值的改变对结构承载力失效和变形失效的影响较大,而对整体屈曲失效的影响较小.     

单层球面网壳结构稳定若干分析

利用大型通用有限元软件ANSYS对一个40 m跨度的单层K8网壳进行了分析。分析包括静力稳定分析和动力稳定分析。静力稳定分析方面有线弹性屈曲分析、几何非线性稳定分析以及双非线性稳定分析。计算了不同的缺陷下网壳的极限荷载因子,分析了网壳的缺陷敏感性,探讨了采用理想弹塑性模型模拟钢材Q235的合理性。动力稳定分析方面有模态分析和瞬态动力分析。针对网壳是否考虑静荷载作用分别进行模态分析,考察了静力荷载产生的应力和变形对结构的自振频率的影响。采用taft波,并分别用比例调幅为0.3 g和0.4 g,再对网壳进行瞬态动力分析,比较其动力响应,得出了对工程结构设计有用的结论。     

短程线型单层球面网壳结构在简单荷载作用下的动力稳定性

基于全过程时程分析方法,采用实用的动力稳定性判定准则,分析了在三种简单荷载作用下短程线型单层球面网壳结构动力稳定性能。阶跃荷载作用下考虑了初始几何缺陷和阻尼的影响,并对比了阶跃荷载与静力荷载作用下稳定临界值;简谐荷载作用下对比了共振区和非共振区的动力稳定性能;三角形荷载作用下考虑了不同持时的影响。通过不同参数变化对单层网壳结构动力性能的影响分析,得出了一些有意义的结论。     

以动力稳定为目标的空间结构等效静力风荷载

采用基于位移或内力响应等效的等效静力风荷载进行大跨空间结构的稳定分析并不十分合理.以动力稳定为目标的等效静力风荷载将使大跨空间结构的设计能够满足稳定性设计的要求.提出大跨空间结构以动力稳定为目标的等效静力风荷载的概念和初步方法,并应用于单层柱面网壳的稳定性分析.通过风洞试验获得柱面网壳表面的非定常气动力,利用Budiansky-Roth准则分析该网壳的动力稳定性,得到以动力稳定为目标的等效静力风荷载.通过对比以动力稳定为目标和基于位移等效的等效静力风荷载下的稳定性分析结果,表明大跨空间结构进行稳定性分析时有必要采用以动力稳定为目标的等效静力风荷载来考虑风荷载作用.     

考虑杆件初弯曲的单层球面网壳稳定性能

基于通用有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序,针对是否考虑杆件初弯曲的单层球面网壳结构进行对比分析.采用随机缺陷模态法进行了考虑杆件初弯曲的2800余例K8型单层球面网壳的弹塑性荷载-位移全过程分析,掌握了弯曲角度、幅值随机变量对网壳稳定性能的影响规律.论证了一致缺陷模态法和特征缺陷模态法计算杆件初弯曲对网壳极限承载力影响的适用性.提出了适用于计算考虑杆件初弯曲影响的网壳极限承载力修正的一致缺陷模态法.采用修正的一致缺陷模态法进行了300余例考虑杆件初弯曲的K8型单层球面网壳的弹塑性全过程分析.结果显示:采用修正的一致缺陷模态法可以计算考虑杆件初弯曲的单层球面网壳极限承载力的最小值.杆件初弯曲能够降低单层球面网壳的极限承载力,并改变其屈曲模态和塑性发展分布.当最大允许初弯曲为杆件长度的1/1 000时,网壳极限承载力最大下降5%以上;当最大允许初弯曲为杆件长度的2/1 000时,网壳极限承载力最大下降10%以上.     

基元模数与组合多面体外接球半径的几何关系

网壳结构作为曲面形的网格结构,兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性。随机法组合多面体球面网壳结构在国内还很少见,既没有理论作指导,更没有实际经验可以借鉴。在这种情况下,提出的组合多面体理论和组合多面体变体理论,为随机法单层球面网壳的几何构型设计提供了依据。随机法组合多单层球面网壳的半径与其组成单元的基元模数、单元中正五边形的边长存在着一定的几何关系,了解基元模数与组合多面体外接球半径之间的关系,对随机法组合多面体各参数的计算有着非常重要的意义。     

不同类型单层球面网壳动力时程分析

利用ansys有限元软件,对60m跨的凯威特、施威德勒、联方单层球面网壳进行弹塑性动力失稳研究。结果表明:阻尼和初始几何缺陷对凯威特和联方网壳影响较大,对施威德勒影响较小;水平地震对结构的影响远大于竖向地震;3种类型网壳中,施威德勒网壳的抗震性能最佳。据此,提出在网壳选择与设计时应降低结构初始几何缺陷,增设阻尼减震隔震构件。