螺栓球节点试验及在单层网壳结构中的应用性

为充分利用螺栓球节点的抗弯刚度,实现其在单层网壳结构中的应用,针对螺栓球节点开展力学试验研究,配合以精细化的有限元分析,获得节点的抗弯性能,并采用弯矩-转角关系来描述.利用ANSYS程序,采用弹簧单元模拟节点弯曲与扭转性能并将试验获得的弯矩-转角关系引入节点属性中,构建了螺栓球节点单层网壳的有限元模型.在此基础上系统开展了网壳结构的稳定性能研究.结果显示:采用螺栓球节点的网壳对于荷载不对称分布较为敏感,而且失稳过程中总伴随有节点的弯折效应;单层球面网壳的极限承载力最低可达到对应刚性节点网壳的32%,最高则超过98%,而单层柱面网壳则仅为10%,这表明此类节点可以应用在单层球面网壳中,但不宜在单层柱面网壳中采用.     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳地震响应分析

为探究半刚性节点单层球面网壳在地震荷载作用下的动力响应特征,针对沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳,采用有限元软件ANSYS,引入节点试验和数值分析数据来模拟实际工程中螺栓球节点的抗弯性能,建立可考虑节点刚度的精细化数值模型,并进一步考虑局部杆件和节点加强、壳体外表面安装围护材料等不同结构条件的变化,在此基础上,对其开展了自振特性及在不同峰值地震荷载作用下动力响应分析.分析结果表明:本项目已建成的大跨度螺栓球节点单层网壳具有良好的抗震性能,但螺栓球节点单层网壳局部开洞会形成明显的刚度薄弱区,建议洞口周边采用焊接球节点并对周圈杆件加强.若在现有结构外表面安装围护玻璃则导致结构的抗震性能明显降低,罕遇地震下,节点最大位移将比竣工结构增大140.1%,杆件最大应力增大77.8%,节点最大位移时程曲线有发散迹象,表明结构有发生整体倒塌的可能性.     

半刚性节点单层球面网壳抗震性能

为了研究由多根螺栓现场拼装而成的半刚性节点单层球面网壳的抗震性能及其抗震设计方法,利用节点的弯矩-转角曲线对凯威特型螺栓球节点单层球面网壳的抗震性能进行了较为系统的分析,包括其自振特性及杆件地震内力系数随矢跨比、跨度、屋面质量、杆件截面、地震波、节点弯曲刚度等参数的变化规律,通过大规模参数分析,给出半刚性节点单层球面网壳的地震内力系数取值,提出基于地震内力调整系数的半刚性节点单层球面网壳的实用抗震设计方法.     

碗式半刚性节点网壳弹塑性稳定分析

碗式节点(Socket-joint)具有一定的抗弯承载力,是一种典型的半刚性节点,也是一种新型的大跨空间结构节点形式.为能够较准确地得出碗式节点的弯矩-转角曲线,使用有限元软件ANSYS对其进行数值模拟,研究了碗式节点的弯曲刚度特征,得到节点的弯矩-转角曲线.在此基础上,研究了40m的K8型半刚性节点的单层球面网壳的弹塑性稳定性能,分析了网壳在矢跨比,节点的弯曲刚度,网壳分频数等参数变化的情况下,网壳极限承载力的变化规律.通过参数分析,较为全面掌握了碗式半刚性节点单层球面网壳的稳定性能.     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳稳定性能分析

螺栓球节点是一类半刚性节点,能否应用到单层网壳中一直是该领域急需解决的关键问题之一,本文首先通过螺栓球节点域的有限元分析,利用已有试验研究结果,获得螺栓球系列节点的弯矩-转角关系,再通过数值方法将其引入到整体网壳的节点刚度模拟中,建立了半刚性节点网壳分析方法.在此基础上,针对沈北新区市民健身中心80 m直径单层球面网壳,采用螺栓球节点连接设计,并进一步对结构施工成形过程中的多个状态进行非线性稳定性分析,也对覆盖饰面材料后网壳的稳定性能进行了探讨.分析结果表明:在施工阶段,网壳局部杆件以受弯为主,导致水平荷载作用下1/2球的极限承载力最低,而竖向荷载作用下的3/4球则因为其上部变形较大导致其极限承载力下降较多;在网壳合拢后,受弯构件转化为以受轴向力为主,其竖向、水平极限承载力分别到达设计荷载的4.7倍和9.2倍,因此只要通过合理措施,避免施工各阶段可能出现的失稳破坏,螺栓球节点完全可以应用到单层网壳结构中.     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳强震失效机理

为探究半刚性节点单层球面网壳在强震作用下的失效机理,以沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳为研究对象,采用通用有限元软件ANSYS,引入节点试验和数值分析数据来模拟实际工程中螺栓球节点的抗弯性能,建立可考虑节点实际连接刚度的精细化数值模型,并进一步考虑局部杆件和节点加强、壳体外表面安装维护材料等不同结构条件的变化,在此基础上,对其开展强震作用下的失效机理研究.分析结果表明:沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳的失效机理为局部节点瞬时大量破坏导致的结构动力失稳倒塌.局部加固网壳只能改善结构正常使用状态的各项响应指标,无法提高结构极限承载力.在现有结构表面安装维护面板,其各项响应指标(位移、支座反力等)皆明显增大,极限承载力下降57.1%,抗震能力明显降低.     

荷载非对称分布对单层球面网壳稳定性的影响

利用结构分析软件ANSYS,对不同跨度、不同矢跨比及不同截面的单层球面网壳结构进行了非对称荷载作用下的非线性全过程稳定分析.通过变化不同的参数,考察荷载非对称分布对单层球面网壳稳定性能的影响规律,对工程设计有一定的指导意义.     

基于节点刚度的柱面巨型网格结构静力性能研究

建立半刚性节点柱面巨型网格结构数值分析模型,考虑几何非线性和初始缺陷的影响,分别研究节点轴向半刚性、弯曲半刚性及双半刚性结构的静力性能,还提出了双半刚性节点研究的不断逼近计算方法.结果表明:只考虑节点轴向刚度时,若其增加,静力稳定承载力随之增大;只考虑节点弯曲刚度时,静力稳定承载力变化较小;两者同时考虑时,结构承载力较只考虑轴向刚度时明显降低,可见节点的轴向刚度和弯曲刚度叠加效应明显.进而考虑此叠加效应,研究了焊接球节点结构的静力性能,发现节点刚度变化会引起结构内力与位移的显著变化,可见实际工程中节点半刚性的影响不能忽视.     

封面图片说明

<正>封面图片是沈阳市沈北新区市民中心80 m直径螺栓球节点单层短程线网壳结构有限元模型在均布极限荷载作用下的杆件弯矩云图,该工程也是中国目前已经建成的最大跨度单层螺栓球节点网壳结构,打破了螺栓球节点只能按照铰接节点考虑,无法应用于单层网壳结构中的传统概念。     

K6型单层球面网壳结构的稳定性

对２００余题Ｋ６型单层球面网壳进行了非线性全过程分析。考察了初始缺陷和不对称分布荷载对网壳稳定承载力的影响，并把所有分析与Ｋ８型球面网壳进行比较，探讨了网络形式对单层球面网壳稳定性的影响。     

摩擦摆支座在K8型单层球面网壳结构中的隔震研究

为获得应用摩擦摆支座(FPB)单层球面网壳结构的抗震性能,将摩擦摆支座精细化有限元模型应用到跨度为80 m的K8型单层球面网壳结构中,对两种支承形式的网壳结构施加相同的地震波.依据结构杆件和节点动力响应对摩擦摆支座的隔震效果进行分析,讨论了在水平和竖向地震动时摩擦摆支座的摩擦系数和曲率半径对单层球面网壳地震响应的影响规律.结果表明:随着地震动强度的增强,摩擦摆支座的最优摩擦系数也随之增加;摩擦摆支座曲率半径越大网壳结构的地震响应越小.在上述研究基础上,对单层球面网壳结构如何选择摩擦摆支座进行了一些讨论.     

单层网壳的非线性稳定分析

本文以空间刚接杆系为计算模型,研究了单层网壳的线性和非线性分枝屈曲分析方法,探讨了一种跳跃失稳的近似分析方法,并编制了计算机程序。 本文提出了“修正相关行列式”的概念,能迅速和准确求解非线性分枝屈曲的第一幅界荷载,并且给出求解相应屈曲模态的方法。本文在采用考虑(?)力影响的精确刚度矩阵的基础上,用直接迭代法,得到相应的荷载位移曲线,并最后得出跳跃失稳或极限荷载近似值。现有算例表明,该方法与大挠度分析方法所得结果接近。     

大跨度单层球面网壳的损伤模型及强震失效

为对大跨度单层球面网壳在强震下的失效进行系统的分析,采用考虑材料损伤累积影响的全过程分析方法.考察了大跨度单层球面网壳在强震下失效时刻的多项响应指标随矢跨比、跨度、屋面质量等参数变化的规律,分析了失效极限荷载受这些参数变化的影响,同时讨论了考虑初始几何缺陷对结构失效特征的影响.通过分析发现,单层球面网壳在强震下基本属于动力强度破坏范畴,基于这些强度破坏算例失效时刻的特征响应,分别建立了理想网壳和缺陷网壳的强震损伤模型,可以表征结构在动力荷载下的损伤程度并判定强度破坏极限荷载.     

单层球面网壳在强震作用下的损伤模型

为获得单层球面网壳强震损伤模型,采用ABAQUS软件并自主开发了考虑损伤累积影响的材料子程序,对跨度40m单层球面网壳在强震作用下的全过程动力响应进行了参数研究.统计结构的多项宏、微观响应,建立了理想单层球壳在强震作用下的损伤模型;同时,对考虑初始缺陷的单层球面网壳也进行了分析,比较了是否考虑初始缺陷对结构抗震性能及失效机理的影响,在此基础上建立了考虑初始缺陷单层球面网壳的损伤模型,提出了强震下结构的强度破坏判别准则.     

水平阶跃荷载作用下单层球面网壳结构的动力稳定性

以具有实际工程意义的40m跨度K8型单层球面网壳为研究对象，在分析单层网壳结构在水平阶跃荷载作用下动力失稳过程的基础上，探讨了网壳结构的动力稳定性临界荷载的判定方法，研究了矢跨比、弹塑性、阻尼和初始几何缺陷等因素对网壳结构动力稳定性临界荷载的影响，并进一步分析了水平阶跃荷载与水平静荷载及水平地震荷载作用下的稳定性临界荷载之间的关系。     

考虑损伤累积的圆钢管本构模型力学行为特点与数值分析

由于单层网壳结构主要以圆钢管为主,因此圆钢管本构模型更适用于研究单层网壳结构的力学行为。为探究材料损伤累积对单层网壳结构动力响应的影响,本文以圆钢管考虑损伤累积的本构模型为研究对象,通过与Prandtl-Reuss材料本构模型在屈服准则、弹性刚度矩阵、弹塑性刚度矩阵、加载准则、流动法则及应力跌落等方面的对比,分析其力学行为特点,给出其数值积分格式,并基于有限元软件ANSYS开发了考虑损伤累积的用户材料子程序,采用该子程序研究了单层网壳在强震作用下的动力响应。结果表明：Prandtl-Reuss材料模型高估了单层网壳结构的抗震性能,考虑材料损伤累积的结构失效时,结构动力极限荷载相比于P-R模型降低了12.24%,绝大多数杆件全截面屈服,形成大量塑性区带;损伤累积效应一方面会降低结构的动力极限荷载,扩大损伤分布,加深损伤程度,加速结构破坏进程,另一方面也将造成结构的失效模式由动力失稳向强度破坏转变。本文基于有限元软件ANSYS开发的考虑圆钢管损伤累积的材料子程序具有较高的计算精度,且其数值积分策略及用户材料子程序有效、可行,能够为单层网壳结构的抗震性能提供更加精确的分析与工程设计。     

单层柱面网壳2类模型的地震响应比较分析

为了研究单层柱面网壳节点刚度对结构地震响应的影响,应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA中的壳单元Shell163和梁单元Beam161分别建立了2类相同尺寸的网壳模型.2类模型的主要区别是:壳单元模型中可以按构件的实际尺寸建立空心球节点,并且壳单元节点模型的承载力值与实体单元节点模型值接近.通过改变结构参数,比较了矢跨比、长宽比和跨度变化时同类模型间的响应变化,以及同一结构参数下2类模型的地震响应差值.结果表明:结构参数变化时,2类模型的响应变化幅度存在明显差异;同一结构参数下,2类模型的响应差值变化较大,在进行此类结构地震响应分析时应考虑球节点的刚度影响.