单层椭圆抛物面网壳结构非线性整体稳定研究

以具有实际工程意义的30 m×30 m跨度的单层椭圆抛物面网壳为研究对象,利用ABAQUS有限元程序对网壳的非线性整体稳定性能进行系统的分析,同时考虑矢跨比、初始几何缺陷、约束条件等因素对该网壳稳定性的影响.考察网壳的屈曲模态、屈曲路径,求出了全过程曲线和极限稳定承载力,全面了解单层椭圆抛物面网壳整体非线性失稳的规律性.研究表明:网壳极限承载力随着结构矢跨比的增加而逐渐增大;对竖向荷载的不对称分布和初始几何缺陷比较敏感,半跨竖向的屈曲荷载仅为满跨竖向的70%;支座刚度的增大可适当提高网壳的极限承载力.     

大矢跨比单层球面网壳弹塑性稳定性研究

为全面认识大矢跨比球面网壳的弹塑性稳定性能,利用ANSYS软件及自编的前后处理程序,有计划地针对132例矢跨比为1/4~1/2的大矢跨比K8型单层球面网壳进行弹性、弹塑性稳定性能分析,并对其中典型算例的塑性发展状况进行了全过程跟踪分析.考察网壳的屈曲模态,分析初始几何缺陷、矢跨比,材料非线性对网壳弹塑性极限承载力的影响.结果表明:大矢跨比情况下,初始几何缺陷的存在会导致网壳的极限承载力降低50%,材料非线性对极限承载力的影响也明显大于常用矢跨比情况,塑性折减系数达到0.4,网壳极易发生提前失稳.建议适当提高大矢跨比球面网壳的稳定性验算安全系数.     

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。     

地震作用下肋环斜杆型单层球面网壳结构的动力稳定性

基于全过程非线性动力反应时程分析方法,采用实用的动力稳定性判定准则,以肋环斜杆型单层球面网壳结构为研究对象,系统地分析其在地震作用下的动力稳定性能.分别考虑了地震输入维数(水平、竖向、三向)、材料非线性、结构阻尼、初始几何缺陷、杆件截面面积、矢跨比、屋面荷载、支座条件和不同地震波(EL-Centro波、Taft波、天津波)等参数的影响,分析表明,考虑多维地震输入对单层球面网壳动力稳定性分析非常必要,不同地震波对单层球面网壳结构的动力稳定性影响程度不同,将其计算结果与K型网壳结论对比,得出了一些有意义的结论,可为网壳工程设计提供参考.     

LNG储罐穹顶带钢板网壳施工全过程稳定性分析

为分析带钢板网壳在穹顶混凝土施工全过程期间的稳定性能与承载能力,利用ANSYS有限元分析软件建立精细化有限元模型,对其进行非线性荷载-位移全过程分析,利用能量误差方法评估并确定合理的单元网格划分尺寸,通过获取屈曲临界点处的屈曲模态形式,确定带钢板网壳的合理初始几何缺陷形式;探讨了蒙皮钢板对网壳稳定承载力的影响,以及钢板厚度、网壳杆件截面尺寸、矢跨比、初始几何缺陷等参数对带钢板网壳稳定性能的影响规律.分析结果表明:钢板蒙皮显著提高了网壳承载力;1/8~1/5矢跨比范围内,随矢跨比的增加,结构极限承载力最大增幅可达87.3%;带钢板网壳对初始几何缺陷具有高度敏感性.     

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.     

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.     

初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响

通过结构非线性分析程序ＳＮＡＰ，利用“一致缺陷模态法”对单层柱面网壳结构进行了全面和系统的初始缺陷分析，选取了不同几何尺寸的单层柱壳，不同的荷载分布形式，考虑不同大小的初始几何缺陷，最后着重讨论了初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响，对单层柱面网壳结构的设计有一定的指导意义。     

单层网壳结构稳定承载力分析

网壳结构的稳定性是单层网壳结构分析中的一个关键问题.利用有限元程序SAP2000对跨度40m,矢高20m的单层网壳在全跨均布荷载作用下的线性和非线性稳定承载力进行了探讨分析.以两个工程计算实例为背景,通过线性分析和几何非线性分析研究了单层网壳结构的稳定性能,这些分析结果将对今后网壳结构的广泛应用有指导意义.     

单层球面网壳与支承结构整体强震失效特征

为了研究支承结构对单层球面网壳在强震作用下失效特征的影响,建立了更为精细化的数值模型.采用动力荷载域全过程分析方法研究了单层球面网壳与支承结构整体在强震作用下的特征响应,得到了考虑下部支承结构的单层球面网壳在强震作用下两种不同的失效特征,并建立了网壳结构极限承载力的判别准则,研究了下部支承结构、矢跨比、屋面质量等参数对网壳结构在强震作用下动力响应的影响.结果表明:下部支承对网壳结构在强震作用下的失效特征有显著的影响;随网壳矢跨比和屋面质量减小,结构的极限承载力显著提高,并且塑性程度加深,延性增强.     

负载下钢结构工字形压弯构件焊接加固试验

为研究钢结构压弯构件在负载下焊接加固过程的热影响以及不同初始负载对焊接加固后受力特性的影响,进行了压弯钢柱的静力试验.被加固钢柱均为工字形双轴对称截面,置于顶端面内自由面外平动约束、底端固接的边界条件下,柱顶固定面内偏心距按四档不同初始负载分别进行.采用翼缘外对称贴焊钢板加固方案,材料类型均为Q345B级普通碳素钢.研究了负载下焊接加固过程构件的位移变化、腹板焊接应力应变重分布、加固后失稳破坏模式及稳定承载力.结果表明:加固焊接次序决定了焊接残余变形及焊接应变重分布的发展机理;初始负载影响焊接残余变形大小;而焊接热输入和初始负载大小共同影响荷载-位移曲线的焊接平台段宽.较小的初始负载几乎不影响承载力,而较大的初始负载明显对承载力不利.此外,初始几何缺陷也影响加固后承载力.     

荷载非对称分布对单层柱面网壳稳定性的影响

通过结构非线性分析程序ＳＮＡＰ,对不同长度的单层柱面网壳结构进行了非对称荷载作用下的全过程稳定分析,通过变化不同的参数,考察荷载非对称分布对单层柱面网壳稳定性能的影响规律,得到了对工程设计有指导意义的结论。     

考虑椭圆度缺陷的盾构管片结构极限承载性能研究

为了探究初始椭圆度缺陷对于管片结构在外部围压下极限承载性能的影响,提出考虑初始椭圆度缺陷的管片非线性稳定极限承载性能计算方法. 建立数值分析模型并基于文献实验数据验证,对椭圆度缺陷的几何计算理论及其取值进行分析;分别引入横长轴和斜长轴初始椭圆度缺陷,就不同椭圆度缺陷对管片非线性稳定极限承载力的影响进行参数分析;提出含椭圆度缺陷管片极限稳定承载力的取值建议. 结果表明,初始椭圆度缺陷对管片非线性极限承载力均为不利作用,且缺陷越大,不利越明显. 当不同椭圆度缺陷时,荷载系数随位移的变化均为迅速增大、平缓增大和趋于收敛. 当不同横长轴椭圆度缺陷时,极限荷载系数的变化趋势为：以土体侧压力系数0.6为界,经历缓慢增大、迅速增大;以土体抗力系数5.0 MN/m³为界,经历迅速增大、缓慢增大;以接头抗弯刚度50.0 MN·m/rad为界,经历迅速增大、趋于平稳. 对于不同椭圆度缺陷,随着倾斜角的增大,极限荷载系数逐渐增大,对应误差百分比绝对值逐渐减小,横长轴椭圆度缺陷为最不利工况. 在实际工程中含椭圆度缺陷管片的非线性极限承载力相对无缺陷时的折减系数可按0.85~0.90考虑,而按整体式管片近似求解实际衬砌式管片时的极限荷载系数可按折减系数0.85考虑.     

子午向几何缺陷冷却塔的结构性能分析

钢筋混凝土双曲线冷却塔由于施工误差、混凝土长期徐变或收缩将产生不同程度的几何缺陷.为了解子午向几何缺陷对双曲线冷却塔结构性能的影响,采用有限元分析软件ANSYS对产生缺陷前、后2种模型进行各种工况下的计算对比,分析该缺陷对结构动力特性、静力特性及稳定性的影响.计算结果表明,子午向的几何缺陷提高了结构的水平抗侧刚度,提高了一阶振动频率,减小了结构在水平荷载下的变形;在风荷载或自重作用下,缺陷部位均发生应力集中现象.荷载组合后的计算结果表明,环向轴力和子午向弯矩增大,而环向弯矩和子午向轴力变化较小;缺陷对温度作用下结构的性能几乎没有影响.按规范进行的稳定分析表明,缺陷极大地降低了塔筒的局部稳定安全系数.但是特征值屈曲分析表明,在塔筒喉部半径缩小后,在水平荷载作用下的屈曲系数有所提高,而在竖向荷载下的屈曲系数有所降低,双曲线形状的改变对塔筒在不同方向荷载下的屈曲具有不同的影响效果.     

剪切型支撑框架的假想荷载法

为了在钢结构设计中避免确定框架柱的计算长度的复杂性,提出一种应用于剪切型支撑框架的假想荷载法,将假想荷载作用于框架楼层,与其他荷载组合进行二阶弹性分析,框架柱即可取层高为计算长度进行设计.推导了有水平力和无水平力作用时的假想水平力,发现水平力的作用不影响假想水平力的大小.采用几何和材料非线性分析方法,考虑构件初始弯曲、结构初始侧移和残余应力,研究了多种几何条件和荷载条件下的支撑框架,提出假想荷载近似计算公式,并与有限元结果进行对比.通过实际应用算例分析,验证了该简化公式能够应用于支撑框架的设计.     

大型钢网架穹顶结构弹塑性稳定性分析

针对大型LNG储罐钢网架穹顶结构的弹塑性稳定性分析,基于刚体准则与改进塑性铰模型建立适于几何与材料双非线性分析的空间弹塑性梁单元,研究局部荷载扰动与整体模态扰动两种不同的初始缺陷处理方法以及材料非线性对结构稳定承载力影响的差异。结果表明:初始缺陷、材料非线性与约束刚度减小均会降低网架穹顶结构稳定承载力;荷载干扰下,结构稳定承载力对干扰大小敏感而对位置不敏感;模态干扰属于整体几何缺陷,结构整体初始变形较大,荷载位移曲线平滑。与ABAQUS相比,所建的弹塑性刚体准则空间梁单元及其相应的非线性分析方法效率与精度兼优,适用于大型复杂工程结构非线性分析,在处理局部缺陷对结构稳定性的影响上具有优势。     

General Analytical Shakedown Analysis of a Structure Subjected to Combined Loading with Constant and Cyclic Loads

恒定载荷和循环载荷共同作用时结构的安定性一般解析分析

邹宗园,郭宝峰,金淼

（燕山大学 先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室）

创新点说明：

推导得到了结构在恒定载荷和循环载荷共同作用时安定极限载荷的一般解析解,揭示了恒定载荷和循环载荷共同作用下结构安定性的影响因素以及影响规律。

研究目的：

揭示恒定载荷和循环载荷共同作用对结构安定性的影响规律。

研究方法：

（1）通过理论推导,得到结构在恒定载荷和循环载荷共同作用时安定极限载荷的一般解析解;

（2）将所得到的一般解析解应用于两个具体的例子,所得到的结果与文献中的结果一致,从而验证本文研究结果的正确性。

结果：

应用Polizzotto的适用于恒定载荷和循环载荷共同作用的安定定理,通过解析推导,得到结构安定极限载荷的一般解析解。据此得到如下研究结果：

1) 当结构受到恒定载荷和循环载荷共同作用时,结构是否安定,取决于循环载荷的幅度、恒定载荷和循环载荷的峰值共同作用时的应力与循环载荷单独作用时的弹性参考应力之间的夹角。

2) 在结构中,若恒定载荷和循环载荷的峰值共同作用所产生的应力与循环载荷单独作用产生的弹性参考应力之间的夹角为零,则循环载荷幅度不超过弹性极限载荷的2倍时,结构安定。此时,安定极限载荷幅度等于循环载荷单独作用下结构弹性极限载荷的2倍。

3) 在结构中,若由恒定载荷和循环载荷的峰值共同作用所产生的应力,与循环载荷单独作用产生的弹性参考应力之间的夹角为锐角时,则当循环载荷幅度不大于该夹角的余弦与其弹性极限载荷的2倍的乘积时,结构安定。此时,安定极限载荷的幅度小于结构弹性极限载荷的2倍。

4) 在结构中,若由恒定载荷和循环载荷的峰值共同作用所产生的应力,与循环载荷单独作用产生的弹性参考应力之间的夹角等于或大于90°,则结构不安定。

结论：

应用本文得到的一般解析解,分别对受恒定拉伸和对称循环扭转共同作用的理想弹塑性薄壁管,和受到水平的恒定均匀拉伸和竖直的循环均匀拉伸共同作用的带中心圆孔方板进行安定性分析,得到的结果与其它文献中所给出的结果一致。验证了本文得到的一般解析解,该解析解普遍适用于恒定载荷和循环载荷共同作用时结构的安定性分析,揭示了此种加载情况下结构安定性的一般性规律。

关键词：弹塑性;安定极限载荷;一般解析解;组合加载

     

人字撑-钢框架弹塑性抗侧性能的精细化研究

为了研究人字撑-钢框架双重抗侧力结构体系中受压支撑屈曲后的剩余强度、框架抗侧强度对结构体系抗侧性能的影响以及结构体系的最大抗侧承载力等问题,在考虑现行规范相关规定的基础上,设计50个典型人字撑-框架结构算例,开展弹塑性抗侧性能的非线性有限元分析.研究组成结构体系的2个子结构支撑架和框架在整个抗侧过程中的性能及其对结构体系总的抗侧性能的影响.结果表明,结构体系的抗侧性能在压撑屈曲后存在快速下降,框架的相对强弱对下降幅度具有重要的影响|框架与支撑的极限承载力之和不能作为结构体系的抗侧承载能力.根据计算结果提出人字撑横梁承受的不平衡力的改进计算方法.     

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.