单层网壳结构稳定性分析方法研究

为了准确地分析具有初始几何缺陷的单层网壳结构整体稳定性,运用随机缺陷模态法、一致缺陷模态法和N阶特征缺陷模态法,对4个不同矢跨比的K8型单层网壳进行了近1300例弹塑性荷载-位移全过程分析,探讨不同分析方法的合理性和可行性。研究表明:随机缺陷模态法能较为科学地评估初始几何缺陷对结构稳定性的影响,但计算量较大;对稳定承载力系数样本进行统计特性分析时,空间样本数量n不应小于100;运用随机缺陷模态法确定网壳结构最终的稳定承载力系数时,建议采用“3σ”原则;采用最低阶屈曲模态模拟初始几何缺陷分布,求得的稳定承载力并非最不利,其保证率得不到有效保证;N阶特征缺陷模态法能够通过较少的计算量,得到满足“3σ”原则要求的稳定承载力,并能较为合理、安全地评估网壳结构的稳定性能;在运用N阶特征缺陷模态法时,建议N=20。     

初始几何缺陷模式对单层球面网壳抗震性能的影响

为探索地震作用下单层网壳的最不利初始几何缺陷分布模式,对施加四种初始几何缺陷的单层球面网壳分别开展了抗震性能研究。参照相关文献选取一致缺陷模态一、一致缺陷模态二,特征值缺陷及一阶振型缺陷四种典型的初始几何缺陷分布模式,并介绍了四种初始几何缺陷模式的理论计算公式及施加于理想网壳的方法;通过有限元建模分析,考察了施加四种初始几何缺陷模式后单层网壳的变形及自振频率变化;分别对跨度为100 m和其它不同参数的单层球面网壳施加上述四种初始几何缺陷模式、并分别输入七条选取于唐山地震主震实测三向地震动记录开展动力时程分析,考察四种初始几何缺陷模式对单层网壳动力工作性能及承载能力的影响。结果显示,对于矢跨比为1/3的单层球面网壳,施加一致缺陷模态一后网壳的最大节点位移值较大;其它参数的单层球面网壳,施加了特征值初始几何缺陷模式后网壳的最大节点位移值较大。该研究可对单层网壳开展动力工作性能分析及结构设计考虑地震作用时最不利初始几何缺陷模式的选取提供参考。     

初始缺陷对三向张弦梁结构整体稳定性影响研究

三向张弦梁结构是新广州站工程采用的一种新型张弦梁结构,因此有必要对三向张弦梁结构的整体稳定性能进行深入的研究。该文首先对随机缺陷模态法进行了改进,使其更适用于网壳与张弦梁混合结构的缺陷稳定性分析。然后分别采用改进的随机缺陷模态法和一致缺陷模态法对三向张弦梁结构的缺陷稳定性进行了研究。分析结果表明:改进后的随机缺陷模态法更适用于网壳和拱梁混合结构形式的缺陷稳定性分析;缺陷越大,该三向张弦梁结构对缺陷越敏感,整体稳定性能受缺陷的影响越大;与理想结构破坏模式最接近的特征值屈曲模态为最不利的特征值屈曲模态,按此模态施加初始缺陷后的结构承载力最低;按非线性屈曲模态对结构施加缺陷得到的结构极限承载力小于按特征值屈曲模态施加缺陷的情况,与随机缺陷模态法的结果最为接近。     

基于环索内力相等的椭球形弦支穹顶结构的预应力分析

当椭球形弦支穹顶结构的同圈环索内力相等时,张拉环索是一种高效的预应力施加方式。该文利用平衡矩阵理论分析了3种常见椭球形弦支穹顶索撑体系的可行预应力模态,发现了当索撑体系的超静定次数不小于环索单元数时同圈环索内力可相等的规律。然而相比联方型和凯威特型椭球索撑体系,肋环型索撑体系的超静定次数低,同圈环索内力不能相等,导致不能直接采用张拉环索方式施加预应力。为使肋环型椭球弦支穹顶的同圈环索内力相等,采用扩展力密度法对其索撑体系重新找形分析,得到了同圈环索内力相等的改进肋环型椭球索撑体系。最后对一肋环型椭球弦支穹顶算例进行了找形分析验证,并利用ANSYS有限元软件对传统型和改进型肋环椭球弦支穹顶进行了力学性能的对比分析,提出了张拉环索施工时将张拉点布置在长轴方向下方的建议,这为以后类似工程的施工设计提供了参考依据。     

弦支穹顶结构实物动力特性研究

介绍了弦支穹顶结构在我国的工程应用实例;针对天津博物馆实物弦支穹顶,理论分析了实物弦支穹顶结构在不同施工阶段的频率值;利用环境激励法和锤击激励法对结构不同施工阶段进行实物动力试验,并对试验过程、结果进行了阐述;通过模态分析,得出弦支穹顶结构具有基频较大、振型密集、整体性好的特性;对比分析了弦支穹顶结构两阶段动力特性的差异。     

弦支穹顶施工张拉全过程分析

弦支穹顶由单层网壳和下部索杆组成。在零状态时给结构中索杆单元施加一组既定的初始应变,计算后结构便会得到一组确定的单元内力值,依据这一对应关系,提出了一种求解零状态时,索杆单元所需施加初始应变值的迭代计算法,并给出了相应的计算公式与计算流程。为了准确、可靠地指导弦支穹顶的实际施工,确保施工的顺利进行,该文结合具体的张拉方案,利用迭代计算法,将零状态下索杆单元所需的初始应变确定后,依据各单元在初始态与零状态下无应力长度之差确定的原则,提出了基于初始应变不变的施工模拟计算法,并对一跨度为122m的弦支穹顶,在已定施工张拉工序的基础上进行了施工张拉模拟计算。计算结果表明:迭代计算公式高效准确,施工模拟计算法的计算假定与计算流程更加符合实际施工过程。这一施工模拟计算法可在实际结构施工张拉模拟计算过程中采用。     

基于蒙特卡罗的考虑随机初始缺陷的分析方法

现行规范采用的多种直接或间接考虑初始缺陷的取值方法均没有很好的考虑构件缺陷的随机分布,夸大了初始几何缺陷的影响。针对现有工程初始缺陷实测分布具有随机偶然性的问题,该文采用蒙特卡罗法模拟了结构构件的随机初始几何缺陷。为进一步提高抽样效率,同时采用了具有抽样记忆功能的拉丁超立方抽样技术,避免了在抽样空间内重复抽样,有效减少了模拟次数。结果表明:用自编程序实现的考虑钢框架结构随机初始几何缺陷的分析方法,可以在多高层钢框架结构高等分析中模拟初始缺陷的随机分布与遇合,为开展准确有效的高等分析与设计研究奠定基础。     

具有初始几何缺陷加劲板的动态屈曲

针对工程中常用的加劲板,研究了动态屈曲的求解方法。将加劲板分为母板与加劲肋两个部分考虑,其中母板按经典薄板理论计算,加劲肋视为Euler梁。假定加劲板的位移,利用Hamilton原理结合系统能量和振型叠加法建立了加劲板的动态屈曲特征方程。最后,选择四边简支加劲板进行数值分析,分析中考虑初始几何缺陷的影响,并讨论了初始几何缺陷、加劲肋的数量及其刚度的变化对动态屈曲临界荷载的影响。结果表明：一阶模态的初始几何缺陷对加劲板的临界荷载影响很大,而增加加劲肋的数量及其刚度可以提高加劲板的抗动态屈曲能力。研究结果也为加劲板的结构设计方法提供一定的参考。     

基于反演推定的空间结构随机缺陷传播法

在空间结构施工过程监测和检测评估等工作中,需依据部分已测节点几何位形推断结构全部节点几何位形。该文提出随机缺陷传播算法,建立几何位置偏差在节点之间的传播法则,利用有限已知节点几何位形偏差反演推定空间结构整体几何缺陷,进而确定结构整体几何位形,并用随机偏差理论证明所生成的结构随机缺陷服从正态分布。对一个缩尺K6单层网壳模型进行实测和稳定分析,结果表明:相对于随机缺陷法和一致缺陷模态法,采用随机缺陷传播法生成的结构几何缺陷与实测几何缺陷接近,据此计算得到的极限承载力更接近结构承载力理论值。基于随机缺陷传播法得到的空间结构整体稳定极限荷载因子中位数,可作为结构的实际极限承载能力代表值。     

基于承载力拟合的钢拱不利几何缺陷分析

几何缺陷会显著降低钢拱结构的稳定承载能力。为合理确定钢拱不利几何缺陷,该文采用基于子空间划分的多响应面方法对承载力函数进行了拟合,然后根据函数极值的拉格朗日乘子法求解承载力最低时的几何缺陷分布。以两铰圆弧钢拱结构为例,考虑荷载比、偏差节点数量等参数的变化,对比了按上述不利缺陷法和一致缺陷法确定的缺陷拱结构受力性能。结果表明:1)基于子空间的多响应面方法拟合承载力函数的精度较高,承载力预测值与有限元分析结果较为接近;2)采用对承载力拟合函数求极值的方法得到的几何缺陷对承载力更为不利,在参数分析范围内其对应的结构承载力和初始刚度较一致缺陷法分别平均偏低约10%和约22.8%;3)随着偏差节点数量增多,基于承载力拟合的不利缺陷分布与一致缺陷分布的差别进一步增大,且基于承载力拟合的不利缺陷分布对应的节点正负偏差的波动性更为明显。     

电除尘器壳体墙板立柱结构体系缺陷敏感性研究

电除尘器是用于消除大气烟尘的重要环保设备,壳体是其中最重要的工艺部分。壳体墙板为加劲钢板,与立柱连续焊接连接,组成共同承载的结构体系。壳体承受的横向荷载为负压与风荷载,作用在墙板上,壳体承受的竖向荷载主要作用在立柱上。墙板的初始缺陷会影响立柱的承载能力。该文通过非线性有限元方法,研究不同缺陷幅值时,完善结构极值点变形缺陷模态、完善结构非线性分岔点变形缺陷模态、特征值屈曲缺陷模态、墙板正弦波形缺陷模态以及墙板安装过程中的焊接收缩残余变形与残余应力对立柱承载力的影响。当缺陷幅值一定时,各种初始几何缺陷形式中,以完善结构的极值点变形缺陷模态为最不利。墙板安装过程中的焊接收缩引起的残余应力对于立柱承载是有利的,但是提高承载力很小。随着焊接收缩量的增大,残余应力值增大,同时考虑残余应力和残余变形影响得到的立柱承载力比仅考虑残余变形得到的承载力的增加量变大。     

考虑节点偏差、杆件缺陷与偏心的单层三向柱面网壳稳定性研究

单层柱面网壳属于缺陷敏感型结构.为了理清节点偏差、杆件缺陷与杆件偏心对其稳定承载能力的影响程度:提出了能同时考虑三种缺陷的力学模型,并详细阐述了各种缺陷的实现方法;深入研究了三种缺陷及其耦合作用对柱面网壳稳定承载能力的影响规律;提出了确定三种缺陷最不利组合形式的方法.主要得出如下结论:柱面网壳稳定承载能力对节点偏差最为...     

考虑杆件失稳的网壳结构稳定分析方法

网壳结构在整体失稳之前可能存在杆件失稳, 但目前网壳稳定分析中大多没有考虑杆件失稳问题。该文通过引入杆件初始缺陷的方法研究杆件失稳对网壳结构整体稳定性的影响。首先讨论了单根杆件的单元划分数量、缺陷形式和缺陷幅值的确定方法, 进而分析网壳结构单根杆件失稳后的内力变化及对网壳整体稳定性的影响。算例分析表明:网壳整体稳定分析中可通过对杆件施加初始缺陷有效地考虑杆件失稳的影响;对整体失稳前存在杆件失稳的网壳结构, 有必要引入杆件缺陷考虑杆件失稳的影响, 不考虑杆件失稳会过高估计结构的承载能力。最后提出了网壳结构稳定分析的合理计算流程, 与试验结果的比较表明该文方法合理、有效。     

球面网壳最不利几何缺陷的凸集和概率模型

该文提出了一种使用凸集模型确定单层球面网壳最不利初始几何缺陷的有效方法。初始几何缺陷的模拟使用前N阶线性屈曲模态的线性组合,其大小为随机变量,在N维欧氏空间中的椭球集合上变化,结构的非线性屈曲极限承载力表示为这些随机变量的函数,该文方法可以替代计算昂贵的概率方法研究缺陷敏感性结构。通过蒙特卡罗方法验证了凸集模型所得结果的正确性,该文计算采用ANSYS参数化设计语言二次开发实现。     

初始缺陷对耐压结构承载性能影响

目的基于有限元方法,通过分析研究深海耐压圆筒结构在不同初始缺陷下的屈曲压力,研究初始缺陷对厚壁圆筒承载极限的影响。方法建立了三维厚壁筒模型,分别研究了圆筒在初始几何缺陷、初始应力缺陷和两种缺陷复合的状态下,结构的承载性能,并将得到的结果与理想状态下的结构作对比。结论结果表明,无论是初始几何缺陷,还是初始应力缺陷,都会降低结构的承载极限。     

On the investigation of shell buckling due to random geometrical imperfections implemented using Karhunen–Loève expansions

For the accurate prediction of the collapse behaviour of thin cylindrical shells, it is accepted that geometrical and other imperfections in material properties and loading have to be accounted for in the simulation. There are different methods of incorporating imperfections, depending on the availability of accurate imperfection data. The current paper uses a spectral decomposition of geometrical uncertainty (Karhunen–Loève expansions). To specify the covariance of the required random field, two methods are used. First, available experimentally measured imperfection fields are used as input for a principal component analysis based on pattern recognition literature, thereby reducing the cost of the eigenanalysis. Second, the covariance function is specified analytically and the resulting Friedholm integral equation of the second kind is solved using a wavelet‐Galerkin approach. Experimentally determined correlation lengths are used as input for the analytical covariance functions. The above procedure enables the generation of imperfection fields for applications where the geometry is slightly modified from the original measured geometry. For example, 100 shells are perturbed with the resulting random fields obtained from both methods, and the results in the form of temporal normal forces during buckling, as simulated using LS‐DYNA^®, as well as the statistics of a Monte Carlo analysis of the 100 shells in each case are presented. Although numerically determined mean values of the limit load of the current and another numerical study differ from the experimental results due to the omission of imperfections other than geometrical, the coefficients of variation are shown to be in close agreement. Copyright © 2007 John Wiley & Sons, Ltd.     

Imperfection sensitive variation of critical loads at hilltop bifurcation point

Variation of critical loads due to initial imperfections at the hilltop bifurcation point is described by elastic stability theory. We derive a system of bifurcation equations for a potential system expressing local behavior at this bifurcation point, which is a double critical point occurring as a coincidence of a simple pitchfork bifurcation point and a limit point. The piecewise linear law of imperfection sensitivity of critical loads in Thompson and Schorrock [J. Mech. Phys. Solids 23 (1975) 21] is revised by extending initial imperfections to be considered in the bifurcation equations. Based on this sensitivity law, a procedure to determine the most influential (worst or optimum) initial imperfection is formulated. As the most essential development of this paper, under the assumption that initial imperfections are subject to a multi-variate normal distribution, we derive the probability density function of critical loads that follows a Weibull-like distribution. The validity of theoretical developments is assessed through its application to elastic truss structures.     

考虑杆件初弯曲的网壳弹塑性稳定性的弱形式求积元分析

初始缺陷是影响网壳稳定性的主要因素之一。技术规程建议的一致缺陷模态法综合考虑了结点的位置偏差与杆件的初弯曲,但现有计算方法难于便捷地单独全面体现初弯曲的影响。该文基于几何精确梁理论构造了一种弱形式求积元模型。通过引入纤维模型模拟材料非线性,结合柱面弧长法实现了对空间曲梁结构的弹塑性大位移分析,通过算例验证了提出模型的有效性。该模型构建不需具体指定位移形函数,避免了使用有限元软件中的复杂建模过程。运用该模型计算了几类典型网壳在杆件初弯曲方向随机分布,不同弯曲挠度下的极限承载力。计算结果表明,在现有钢结构生产工艺下杆件初弯曲的缺陷对于网壳稳定性的影响较小,不起控制作用。通过与一致缺陷模态法的计算结果和空间网格结构技术规程计算的承载力进行对比,对规范的承载力计算公式提出了考虑特殊网壳形式及材料屈服强度的改进建议。