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.     

单层网壳结构在简单荷载下动力稳定分析

根据网壳结构的动力稳定判别准则，采用精确的空间梁单元切线刚度矩形式及大转角理论，通过二个典型算例，分别考查在突加阶跃荷载，简谐荷载及三角形脉冲荷载作用下，单层网壳结构的动力稳定性能，并得到了一些主要结论。     

单层网壳结构的动力破坏指数研究

为了更加有效地反映单层网壳结构的动力响应特征,建立了一种描述单层网壳结构动力破坏程度的新指标--动力破坏指数,并给出了单层Keiwitt型网壳结构对应不同破坏程度的动力破坏指数分界值.在研究地震作用下单层网壳结构各项耗能的计算方法和变化规律的基础上,结合塑性耗能与最大位移建立了动力破坏指数的表达式,并通过对单层Keiwitt型网壳结构进行大量的参数分析,比较了动力破坏指数同位移、塑性杆件数两个指标的对应关系.结果表明,对于存在局部刚度薄弱的单层网壳结构,动力破坏指数的分析结果更加合理.动力破坏指数是进行单层网壳结构动力响应分析的有效指标.     

LNG储罐单层球面网壳结构动力特性分析

为研究LNG储罐穹顶单层网壳在地震载荷作用下的动力特性，通过3D3S软件建模并借助有限元分析软件ANSYS对单层网壳进行模态分析和地震时程分析，得到结构自身振动特性和动力响应规律。结果表明：穹顶网壳相邻两阶固有频率相近，网壳变形左右对称，后期以整体变形为主。地震波的形态和频率对结构节点位移时程曲线和杆件轴力时程曲线的形状影响较大，结构在人工波作用下动力响应最大，应该选用多条地震波对网壳结构进行包络分析；矢跨比在前10 s相同地震激励下对结构动力响应影响较大，矢跨比为5/36时结构变形最小且最为稳定；整体结构节点位移明显大于单独网壳结构，设计网壳结构时，应该考虑下部结构对网壳动力性能的影响。     

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。     

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.     

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.     

预测单层柱面网壳破坏模式的细胞自动机方法

为改进网壳结构有限元数值模拟效率以及拓展数值模拟结果应用,发展了一种预测单层柱面网壳结构破坏模式的细胞自动机方法.该方法通过有限元模拟,给出了单层柱面网壳简谐地面运动下动力失稳破坏模式和TAFT地震波作用下动力强度破坏模式;然后,用归一化节点有限元位移值、以及归一化节点对数应变能密度值构成网壳两种细胞自动机状态模式;进而,建立了单层柱面网壳相似节点域的概念,并给出了相应的匹配准则;最后,以基础网壳破坏模式为依据,通过匹配基础网壳和目标网壳之间的相似节点域,预测了目标网壳失稳破坏位移模式和强度破坏对数应变能密度模式.预测结果验证了所发展的细胞自动机方法的有效性,期待成为分析网壳结构的新途径.     

单层球面网壳结构动力强度破坏的双控准则

针对在地震等强动力荷载作用下单层球面网壳结构的动力强度破坏问题，通过探讨结构的耗能机理，将结构塑性累积耗能与最大变形进行线性组合建立了动力强度破坏的双控准则，并应用动力破坏指数判定结构的动力破坏程度.以一个跨度为40 m的K8,6型单层球面网壳结构为例，应用动力破坏指数进行了强震下的结构动力强度破坏分析，并同结构最大变形和塑性杆件比例等指标进行了对比.结果表明，应用双控准则和动力破坏指数可以有效地进行单层球面网壳结构动力强度破坏的量化分析，并且对于存在局部刚度薄弱的网壳结构结果更加合理.     

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。     

Damage mechanism of single-layer reticulated domes under severe earthquakes

To study the damage mechanism of single-layer reticulated domes subject to severe earthquakes, three limit states of single-layer reticulated domes under earthquakes are defined firstly in this paper. Then, two failure modes are presented by analyzing damage behaviors, and their characteristics are pointed out respectively. Furthermore, the damage process is analyzed and the causes of structural damage in different levels are studied. Finally, by comparing deformation and vibration status of domes with different failure modes, the principles of different failures are revealed and an integrated frame of damage mechanism is set up.     

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。     

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.     

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.     

单层球面网壳的自振特性分析

采用LANCZOS方法比较系统的分析了K8型单层球壳的自振特性，在参数方案上采用了不同矢跨比，不同跨度，不同支座条件和不同屋面荷载，得出了各因素对网壳结构的自振特性的影响及其结构的自振规律。     

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.     

单层球面网壳的动力分析

运用有限元分析软件ANSYS计算分析了网壳跨度、矢跨比、支座刚度和网格尺寸对凯威特型单层球面网壳结构自振特性的影响.得出了正放四角锥型单层球面网壳结构的自振频率变化规律和抗震设计的有关结论.     

施威德勒穹顶弹塑性稳定性能研究

通过有计划地对400余例实际尺寸的施威德勒型单层球面网壳进行双重非线性全过程分析,求得网壳的极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称以及考虑材料非线性等因素对网壳稳定性能的影响,较全面了解了施威德勒型单层球面网壳弹塑性稳定的规律性,为此类网壳结构的工程实践提供了理论依据和设计参考。并得出以下几点结论:(1)为保证网壳的安全性,网壳的极限承载力应由双重非线性全过程分析确定。(2)施威德勒穹顶属于缺陷敏感性结构。(3)竖向荷载不对称分布对网壳极限承载力影响较小。(4)工程设计中应适当考虑支承条件变化对网壳极限承载力的影响。     

肋环斜杆型球面网壳弹塑性稳定特性

为掌握肋环斜杆型球面网壳的弹塑性稳定特性,利用ANSYS软件有计划地对430余例实际尺寸的肋环斜杆型单层球面网壳进行了双重非线性全过程分析,求得结构的极限承载力,系统地考察了初始缺陷、荷载不对称分布、支承条件以及材料非线性等因素对网壳稳定性能的影响,并与弹性分析结果进行了对比分析.通过大规模参数分析研究,较全面了解肋环斜杆型单层球面网壳弹塑性稳定的规律性,统计了肋环斜杆型单层球面网壳的材料非线性折减系数,为此类网壳结构的工程实践提供了理论依据和设计参考.