单层球面网壳结构抗连续倒塌设计

单层球面网壳冗余度较低,个别杆件失效容易引起结构连续倒塌。为提高单层球面网壳的抗连续倒塌能力,可以采用将单层网壳主肋设计为局部双层的方法。应用ABAQUS软件通过自编程序,考虑杆件失稳及失稳后行为,对比分析了采用局部双层前、后静力荷载作用下单层球面网壳极限承载力、节点位移和失效模态,以及采用局部双层前、后地震荷载作用下单层球面网壳极限承载力。分析了地震作用下局部双层厚度不同时单层球面网壳结构的极限承载力。分析结果表明,将单层球面网壳主肋设计为局部双层可提高网壳结构极限承载力,改变网壳失效模式。     

冲击作用下单层柱面网壳的失效模式

为探讨单层柱面网壳在冲击荷载作用下的破坏过程、动力响应及失效模式,应用ANSYS/LS-DYNA建立20m跨度三向网格型单层柱面网壳模型,并对其进行冲击荷载作用下的全过程仿真模拟.通过对特定算例的分析,展示冲击荷载下网壳的破坏过程及结构的动力响应.根据结构破坏过程及最终形态提出单层柱面网壳在冲击荷载作用下的失效模式,并与单层球面网壳的分析进行对比.     

大矢跨比单层球面网壳动力试验模型弹塑性稳定分析

为了解水平地震作用下具有不同失效机制的单层球面网壳结构在静力荷载作用下的弹塑性稳定性能,利用有限元软件ANSYS,对两个矢跨比为1/2的单层球面网壳结构试验模型进行双重非线性全过程分析,获得结构的弹塑性极限承载力,比较二者的失稳模态,初步了解二者之间的差异。考察结构杆件屈曲、初始缺陷等因素对结构稳定性能的影响,并分析各因素对结构极限承载力的影响规律。结果表明,地震作用下,具有强度破坏特征的网壳结构在静力下的失稳模式表现为结构的整体失稳,而发生动力失稳破坏的结构则表现为局部失稳破坏。杆件失稳和初始缺陷使结构的临界荷载大幅度降低,且地震作用下属于强度破坏的单层球面网壳结构在静力下对初始缺陷的敏感性大于动力失稳破坏结构。     

空间网格结构连续性倒塌试验研究

为研究空间网格结构遭遇局部初始破坏后的结构响应、倒塌过程与倒塌机制,以单层球面网壳结构为研究对象,进行了1个直径为4.2m,矢跨比为1/7的凯威特型网壳结构整体模型的连续性倒塌试验。施加节点集中荷载,采用自主研发的杆件破断触发装置使网壳模型的1根经向杆件发生突然破断,并以采样频率100Hz采集网壳模型各位置杆件的高频动应变响应,基于高速摄像测量技术（帧频200fps）获取模型节点的高速动位移响应。初始破坏发生后,网壳模型呈现出自破坏局部向周围逐步扩展的连续性破坏,最终整个模型完全翻转并在一系列最外层杆件断裂后部分坠落。试验结果表明：尽管单层球面网壳结构杆件众多,但单根杆件的失效仍可能触发连锁反应,导致整体结构的连续性倒塌;单根杆件破坏后,局部内力重分布导致的杆端节点出现点失稳,并引发周围节点顺次向下运动,这也是单层球面网壳结构遭遇局部初始破坏后倒塌的主要模式。     

冲击荷载作用下带下部钢管柱单层球面网壳结构动力响应分析

为研究带下部钢管柱的单层球面网壳在冲击荷载下的动力响应,在ANSYS/LS DYNA中建立70 m跨度带下部钢管柱的K8型单层球面网壳与正方体冲击物的数值模型并进行数值分析。根据结构动力响应和最终变形,总结了结构在冲击荷载作用下的4种响应模式,并分析了各响应模式下的动力响应（冲击力、节点速度、节点位移、杆件应力）特点。通过改变冲击点位置以及下部柱高度等参数,分析这些参数对带下部钢管柱的单层球面网壳结构响应模式的影响,揭示了结构响应随各参数的分布规律。研究结果表明:水平侧向冲击作用下结构的冲击力主要为等腰三角形脉冲荷载;冲击柱顶点时,上部结构有杆件失效,结构的节点水平位移和杆件应力最大;冲击柱高度较低时,冲击力峰值较小,节点最大水平位移和杆件最大应力较大。     

冲击荷载下K6型单层球面网壳结构动力破坏评判方法研究

以典型的K6型单层球面网壳结构为研究对象,分别研究了上部网壳结构和下部支承结构受冲击荷载作用时的动力响应特征,并以此为基础对结构冲击模式进行归纳.将冲击荷载作用下网壳结构的冲击模式和破坏状态相结合,提出了网壳结构的抗冲击动力性能判别指标和相应的等级分类.研究表明,冲击荷载作用下落地网壳结构和带下部支承网壳结构的冲击模式分别可以划分为5种和4种.综合结构位移、杆件进入塑性比例和冲击能量等指标,可以对单层网壳在冲击荷载下的结构破坏程度进行预估和评判.     

单层鞍形网壳强动力荷载作用下的破坏模式

采用ANSYS程序,利用全过程分析方法对两种不同网格形式的单层鞍形网壳结构在强简谐、地震荷载下的动力响应规律进行研究,提取最大节点位移、应变能、进塑性杆件比例等多项响应指标,绘制其随荷载幅值增大的变化曲线,总结单层鞍形网壳的动力失效模式,剖析其失效机理,分析了地震作用下结构响应随矢跨比的变化规律.研究结果表明,两类网格的单层鞍形网壳均具有良好的抗震性能,在强动力荷载作用下发生动力强度破坏,可区分为脆性破坏和延性破坏两种失效模式.地震作用下结构破坏模式均为延性强度破坏.     

基于应变能密度的单层球面网壳结构失效判定准则

进行基于应变能密度的单层球面网壳地震作用下工作行为分析,意在给出一个合理且较为精确的判断结构动力失效准则。首先,对理想单层球面网壳结构的对数应变能密度(LSED)、以及有初始缺陷的单层球面网壳结构的指数应变能密度(ESED)与加速度幅值(A)关系进行理论推导,给出单层球面网壳应变能密度的表达式,奠定判定其失效的理论基础。然后,应用通用有限元程序对典型单层球面网壳在地震荷载作用下的动力反应进行全过程响应分析,并时时提取出各级动荷载幅值下的所有单元的应变能密度。进而,进行结构应变能密度走向特征分析,揭示单层网壳结构的整体塑性应变能密度积累到一定程度时,结构应变能密度-地震加速度幅值曲线产生转折点。最后,据此特征提出基于结构能量密度的失效荷载判定准则,并与现有判定准则进行比较。     

单层球面网壳抗冲击试验研究

通过对KIEWITT-6型单层球面网壳缩尺模型进行模态测试及弹性与破坏性冲击试验,验证了基于ANSYS/LS-DYNA的网壳结构抗冲击荷载数值模型的正确性,确定了该模型的两种典型失效模式为结构局部凹陷与结构整体倒塌。综合试验与数值分析结果发现：冲击力时程曲线形式受冲击物初始偏转的影响;如果冲击结束时动力响应已经传到支座...     

均布荷载作用下单层球面网壳的弹塑性失稳模式研究

为揭示单层球面网壳结构在静力均布荷载作用下的失稳模式与失效机理,预测结构可能发生的破坏模式和承载能力,基于双重非线性全过程分析理论,采用ANSYS软件对典型球面网壳结构开展稳定性参数分析,系统考察结构的荷载-位移全过程曲线、塑性发展分布、屈曲模态等特征响应。并以典型算例为代表,从宏观和微观两个方面诠释了单层球面网壳结构可能发生的3种失稳模式:弹性失稳、弹塑性提前失稳、弹塑性失稳。指出弹塑性提前失稳是由于结构强度破坏诱发的一类承载力偏低的失稳模式,为提高结构安全性,在网壳稳定性设计阶段中应避免出现此类失稳模式。     

北京新机场装配式单层铝合金网壳结构整体稳定性能研究

以北京新机场装配式单层铝合金网壳结构作为研究对象,建立了其装配式节点——板式节点及考虑节点性能的单层铝合金网壳的有限元模型,分析了板式节点的力学性能及节点性能对单层铝合金网壳稳定性能的影响。研究表明：板式节点刚度良好,破坏表现为不锈钢拉铆钉剪切破坏、连接板拉剪破坏和杆件在螺栓孔处承压破坏;北京新机场装配式单层铝合金网壳结构的整体稳定性能良好,承载力约为刚接网壳结构的90%,满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》的要求;由于铝合金材料无明显的屈服台阶,弹性模量较小,考虑几何非线性和材料非线性的稳定承载力比仅考虑几何非线性的稳定承载力降低约30%,结构发生弹塑性失稳,结构失稳形态表现为网壳结构在靠近长轴右端出现凹陷。     

Elasto-plastic instability of single-layer reticulated shells under dynamic actions

This paper addresses the issue on dynamic collapse mechanism of single-layer reticulated shells subjected to harmonic load, sudden load and seismic load. The method for failure mechanism has reviewed the relationship between the response of the reticulated shell and the peak acceleration of dynamic action. Besides, the steel damage accumulation is considered in the method by compiling a user subroutine based on the computing program ABAQUS. An example is introduced to describe dynamic instability collapse resulting from geometric nonlinearity of the shell and the other example is presented to describe strength failure resulting from excessive development of plastic deformation, for it is discovered that the structure is not only to be prone to instability collapse in dynamic action. According to the responses of the single-layer reticulated shell under dynamic loads, this study discusses the relationship between the failure model and the corresponding dynamic load parameters. Then, the method for distinguishing failure modes is proposed based on the fuzzy synthetic evaluation theory and the structural responses of sufficient samples at the failure state. The technique feasible to be used to distinguish different failure modes of single-layer reticulated shells under different dynamic loads is validated.     

基于离散单元法的单层网壳结构冲击破坏#br# 数值模拟研究

基于传统离散单元法的接触模型,通过能量守恒定律推导适用于杆系结构的离散元模型接触刚度。将分层梁理论引入到离散单元法中,给出接触的塑性判断准则以及推导接触进入塑性后的刚度系数,从而可以应用离散元方法解决杆系结构的弹塑性问题。通过定义离散单元法基于应变的断裂准则,将其应用于解决杆件的断裂问题。选取适用于碰撞问题的赫兹模型,给出赫兹模型刚度的设置方法。最后应用改进后的离散单元法对单层网壳冲击试验进行了考虑弹塑性、断裂、碰撞的全过程模拟,验证了该方法的正确性。并对Kiewitt单层球面网壳单点冲击和多点冲击进行数值模拟研究,分析了单点和多点冲击下单层网壳的破坏模式、冲击力、节点位移和支座反力的异同点。     

周边局部为双层的球面网壳屈曲规律和特性

以中部单层、周围局部双层的球面网壳为对象,采用Newton-Raphson增量迭代及弧长法对结构进行了非线性有限元分析,总结了此类网壳结构的失稳规律,并且得出了结构由单层过渡到双层时临界荷载的变化规律。研究结果表明,局部双层网壳能够明显改善单层网壳的稳定性能,提高其网壳的屈曲荷载,既具有双层网壳的稳定性,又能节省钢材,是一种理想的空间结构形式。     

单层柱面铝合金网壳结构强震失效机理及地震易损性

通过有限元分析软件ABAQUS建立了单层柱面铝合金网壳结构的有限元分析模型,利用增量动力分析方法（IDA）对网壳结构进行强震作用下动力响应全过程分析,获得了单层柱面铝合金网壳结构强震失效模式。基于模糊数学理论提出单层柱面铝合金网壳结构强震失效判别方法,结合结构损伤理论拟合网壳结构强震损伤因子,通过大规模参数分析定义适用于铝合金网壳结构的损伤程度分级,对铝合金网壳结构不同损伤状态进行划分。通过随机抽样选取一定数量的结构-地震样本,对铝合金网壳结构开展地震易损性分析,通过回归分析建立地震易损性函数,获得单层柱面铝合金网壳结构的概率地震易损性曲线。结果表明：通过结构地震易损性分析可以看出铝合金网壳结构具有良好的抗震性能,在强震作用下保持基本完好或仅有轻微破坏的概率较大。     

考虑下部支承效应的单层柱面网壳结构抗震性能研究

为研究下部支承对单层柱面网壳整体结构抗震性能的影响,建立了包含下部支承的整体结构有限元模型。通过增量动力分析方法对典型算例开展参数分析,分析了下部支承刚度、屋面荷载等参数对整体结构抗震性能的影响规律。结果表明：考虑下部支承与单层柱面网壳的耦合效应后,结构的自振频率减小,整体结构的刚度明显减弱;单层柱面网壳耦合体系的强震失效模式为强支承结构的网壳动力强度破坏与弱支承结构的支承动力强度破坏;随着支承刚度的增加,整体结构的承载力先减小后增大,网壳结构的塑性发展程度先增加后减小,下部支承结构的塑性发展程度逐渐减小;支承刚度越大,屋面荷载对结构承载力的影响越明显,整体结构的承载力随着屋面荷载的增加逐渐降低;考虑下部支承后整体结构的承载力降低了42.4%~85.5%,降低的原因主要包括下部支承结构的动力放大作用和柱间的不同步效应。     

K6型单层网壳极限承载力对杆件失效的灵敏度分析

基于Frangopol提出的冗余度计算方法和考虑双重非线性的全过程分析方法,应用有限元软件ANSYS对一个K6型单层网壳进行了极限承载力灵敏度分析,得出了该类型单层网壳的极限承载力对于杆件失效的灵敏度值。在此基础上,提出了一种防止网壳连续倒塌的有效措施,即加强具有低冗余度（高灵敏度）的杆件以提高其冗余度,从而降低整个单层网壳结构连续倒塌的概率。     

网壳结构冲击失效规律分析

为明确何种荷载条件与结构条件下网壳结构的破坏较为严重,即结构最大响应/失效模式与初始条件间的联系,确定网壳结构的冲击失效规律。首先从能量的角度确定结构冲击失效模式与网壳获取的总冲击能量(ETK)之间的良好关系,并通过动能传递系数(φ)建立一次冲击失效情况下ETK与冲击物初动能(E)之间的联系,间接确定了结构最大响应/失效模式与冲击初始条件间的联系。随后提出采用整体倒塌失效系数评估网壳的抗冲击能力,并通过大量参数分析获得冲击方位、矢跨比等初始条件对结构整体倒塌失效的影响规律。     

Counter-intuitive collapse of single-layer reticulated domes subject to interior blast loading

A commercial finite element package, LS-DYNA, was employed to simulate the response of a single-layer reticulated dome to an interior blast. The dome, which was initially stressed by static preloading, encountered an interesting phenomenon namely counter-intuitive collapse, which was found during the blast analysis. The Johnson–Cook constitutive model for mild steel was used to identify different failure modes of the dome for more than 2430 samples. A seemingly counter-intuitive collapse was identified due to dynamic instability. This unusual collapse was explained using total potential curves, and the critical blast load was defined. The effect of different static preloads, which is the other determination factor of counter-intuitive collapse, was investigated. A relationship between collapse and static/dynamic loads was also obtained. The results indicate that single-layer reticulated domes, with large initial stresses, may collapse at lower dynamic loads than expected.     

单层球面网壳的静力稳定性分析

利用有限元程序ANSYS对某单层球面网壳进行了静力稳定性分析,得出了其在集中力、半跨均布荷载和全跨均布荷载下屈曲的全过程曲线,并进行了分析,分析结果表明:网壳在集中力作用下屈曲的变形最小;不对称荷载作用对网壳稳定承载力影响较大。