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.     

单层球面网壳的抗震性能分析

网壳结构抗震性能分析是网壳抗震领域研究的重要内容,其进展可大大深化人们对现有结构在地震作用下可能发生破坏的认识,同时也会为进一步的机理研究及抗震设计打下坚实的基础.鉴于以上原因,以抗震问题相对突出的单层球面网壳为研究对象,通过数值方法模拟网壳在强震下的动力响应,对结构抗震性能展开了深入细致的研究.采用了当前国际通用的大型有限元软件ABAQUS,通过变换矢跨比、屋面质量、杆件截面、初始缺陷及地震输入等参数进行了大规模的计算,在对临界荷载、破坏模式等性能指标进行统计分析的基础上得出了矢跨比是网壳抗震性能最重要的影响因素等一系列有意义的结论,加深了现有对网壳结构抗震性能的认识.     

K8型单层球面网壳支座减震

为了对跨度为60 m的K8型单层球面网壳进行了减震分析,分别将结构的支座设置成弹性支座和弹性阻尼支座,对结构进行减震控制.结合对结构在有控和无控状态下自振特性的分析,阐述了单层球面网壳结构的减震控制原理.在常遇地震作用下,得到网壳结构的最大水平位移、减震支座的最大水平位移、最大支座反力和最大杆件内力.通过改变支座的刚度和阻尼系数,对两种减震方案的减震效果进行比较.研究结果表明:两种减震装置均有效地控制了K8型单层球面网壳结构的支座反力,弹性阻尼支座还可以明显地降低减震支座的水平位移.     

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。     

强下部结构单层球壳简谐荷载下的破坏模式

采用基于响应的研究方法,以有柱间支撑的带下部结构K8单层球面网壳为例,利用ANSYS软件分别对其进行了水平、竖向简谐荷载作用下的动力全过程分析,综合宏观和微观两个方面,通过节点位移、进塑性杆件比例等多项特征响应指标分析了简谐荷载作用下多个算例的动力破坏特点,总结了柱间设置支撑的强下部结构的单层球壳的动力破坏模式,统计了其动力破坏临界荷载,观察了矢跨比参数的影响,为网壳结构动力破坏机理研究提供了基础性材料。     

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.     

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.     

单层球面网壳与支承结构整体在强震作用下的失效特征

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。研究结果为建立更精确的网壳结构抗震设计理论提供一些参考。     

半刚性节点单层球面网壳的弹塑性稳定性分析

为了研究半刚性节点单层球面网壳的稳定性能,提出其适用的分析方法,利用大型有限元软件ANSYS建立螺栓球节点的实体模拟方法和半刚性节点单层球面网壳的数值模型.通过试验数据与数值分析结果的比较,证明方法的可行性,进而模拟工程中常用的螺栓球节点,求得其弯曲刚度,对30 m跨度的螺栓球节点单层球面网壳进行稳定性分析.结果表明:节点的弯曲刚度不同时,网壳的稳定性能及其失稳模态变化明显;节点的扭转刚度和节点域不同时,网壳的稳定性能基本没有变化;荷载分布不同时,网壳的稳定性能发生改变.节点的弯曲刚度和不同的荷载分布形式是影响单层半刚性球面网壳稳定性能的重要因素.     

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。     

单层球面网壳的风振响应特性

为研究大跨度单层球面网壳风振响应特性,通过同步测压风洞试验获取风荷载信息,将风振响应分为平均响应、背景响应和共振响应三部分,其中背景响应采用影响线的方法计算,共振响应采用Ritz-POD法计算.分析过程中,着重对结构自振特性、风振响应中位移和内力的背景响应谱和共振响应谱特征、振型参与特性、以及各响应分量的分布规律进行了研究.结果表明:风振响应明显呈现多阶振型参与振动的特点,且存在高阶振型对脉动风响应贡献最大的现象,结构自振频率分布正好在这一振型处发生明显跳跃;在研究的范围内,脉动风响应大于平均风响应,而且在脉动风响应中,共振响应占主导地位,背景响应所占比例较小.     

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.     

三维地震作用下应用FPB单层球面网壳抗震性能

为准确确定三维地震作用下应用摩擦摆支座(FPB)单层球面网壳结构的减震效果,在精细化建模基础上,分析了摩擦摆支座的隔震机理,并对摩擦摆支座单层球面网壳结构从静力和动力两个方面进行分析.静力荷载作用下,从结构内力、变形和稳定性3个方面分析摩擦摆支座对网壳结构静力力学性能的影响;三维地震作用下,应用动力时程分析方法分析了地震动强度以及摩擦摆支座参数对单层球面网壳抗震性能的影响规律.结果表明:静力作用下,加强外环杆件能有效改善摩擦摆支座对网壳结构的不利影响;三维地震作用下,地震动强度越大,摩擦摆支座隔震性能越好;摩擦摆支座的最优摩擦系数随着地震动强度的增大而增加;摩擦摆支座曲率半径越大网壳结构的抗震性能越好.     

材料损伤累积在网壳强震失效研究中的应用

为在网壳结构强震分析中考虑材料损伤累积及裂纹效应的影响,编制了通用有限元软件ABAQUS的用户材料子程序,通过标准子程序验证表明具有较高的计算精度.应用该程序对网壳结构在地震下的典型算例进行了对比分析,表明子程序具有较好的收敛性能,实现了考虑钢材损伤累积的有限元分析方法.应用该程序,并结合基于响应的动力全过程分析方法,对网壳结构在强震下的响应进行了参数研究,考察了结构失效时刻的特征响应.通过是否考虑材料损伤累积的对比表明,考虑这个因素对失效时刻的塑性发展影响不大,但可能明显降低结构的失效极限荷载,需要在分析中予以重视.     

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.     

Preliminary analysis of mode truncation of single-layered reticulated domes under earthquakes

In anti-seismic calculation, the mode truncation is a significant problem to engineers if the mode-superposition response spectrum method is used, which has not been completely solved yet in some large and complex structures such as reticulated domes. In this case, some useful advices, concentrating on the problem above, are expected through a careful and comprehensive investigation of this paper. During the investigation, the authors first point out shortcomings of former researches. Then frequency-spectrum characteristics of single-layered reticulated domes were studied from the perspective of structural responses. During this process, some important results such as the existence of the main resonant section, and the fact that the relative sensitivity of these domes under horizontal and vertical impulse varies with the different R/S ratios were achieved. Furthermore, based on the study of frequency-spectrum characteristics, as well as that of earthquake input, reasonable numbers of mode truncation in single layered reticulated domes with different R/S ratio were presented. Results of case studies prove the mode truncation number proposed is valid.     

考虑重力效应的单层球面网壳抗冲击荷载性能

为研究冲击荷载作用下网壳结构的动力响应,应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立60m跨度K8型单层球面网壳的冲击模型并进行数值分析,计算对比是否考虑重力效应两种情况下,网壳在冲击荷载作用下的动力响应.得出产生差异的主要原因:网壳结构的自重敏感性、离心力效应与几何大变形.由此得出结论:只有考虑重力效应,即冲击荷载与重力荷载同步施加到结构时,所得的动力响应才是准确的.在上述基础上,对135个K8型网壳算例进行分析,研究表明:网壳竖向变形和主要杆件受力随着冲击质量与速度的增加而增大,当质量与速度增加到一定值后,二者均不再变化.     

大跨度四边支承单层柱面网壳的稳定性能

为拓宽单层柱面网壳的应用跨度,以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,针对波宽为20m四边支承柱面网壳开展400余例非线性全过程分析,考察屈曲模态、临界荷载、塑性发展分布等特征响应,总结长宽比、矢宽比、初始几何缺陷、荷载不对称分布等因素对网壳临界荷载的影响规律.研究结果显示:四边支承柱面网壳的直杆以受弯作用为主,壳面中部是结构的薄弱区域;当长宽比过大时,应通过增设加劲肋提高壳面刚度,加劲肋的间距应使得网壳长宽比保持在1.0为宜;柱面网壳对于初始几何缺陷较为敏感,当缺陷值达到波宽的1/300时,网壳的弹塑性临界荷载将降低30%以上;当荷载呈不对称分布且p/g=1.0时,网壳的临界荷载将降低到均布荷载作用情况下的86%～94%.