非对称荷载作用下具有初始几何缺陷的单层球面网壳的稳定极限承载力研究

为了研究非对称(半跨均匀)荷载对具有初始几何缺陷(节点偏差)的单层球面网壳稳定性的影响,采用N阶特征缺陷模态法模拟节点偏差,利用有限元软件ANSYS对矢跨比分别为1/3、1/4、1/5、1/6和1/7的K8型单层球面网壳进行了荷载-位移非线性全过程分析。通过对网壳结构施加全跨缺陷、半跨缺陷、全跨荷载、半跨荷载不同组合作用的方法,可以判断结构对非对称荷载的敏感程度以及非对称荷载与初始几何缺陷对结构相互影响的关系。分析表明:单层球面网壳在施加半跨缺陷和半跨荷载组合下的最不利缺陷模式均出现在前3阶,此状态下网壳的稳定极限承载力极低;矢跨比为1/5的K8型单层球面网壳结构受半跨缺陷影响较大,其稳定极限承载力下降最为显著;单层球面网壳结构全跨缺陷的最不利分布模式受荷载布置方式的影响较小;在非对称荷载作用下,初始几何缺陷的分布模式对单层球面网壳结构的稳定极限承载力影响较小。     

非对称荷载对大跨度非规则单层网壳结构性能的影响

以某大跨度非规则单层网壳为研究背景,应用ANSYS通用有限元分析软件对网壳结构进行了建模并重点模拟了风荷载、雪荷载、温度效应等多种非对称荷载作用,进行了静力分析、特征值屈曲分析以及非线性稳定分析。得到了网壳结构在15种典型荷载组合下的内力、位移结果,分析了非对称荷载对网壳结构静力性能的影响;考虑了几何非线性、材料非线性、初始缺陷,得到了网壳结构在非对称荷载作用下的稳定系数,分析了非对称荷载对网壳结构稳定性能的影响。强调指出非对称荷载作用在大跨度单层网壳结构设计中的重要性,为大跨度非规则单层网壳设计提供参考。     

单点连续冲击荷载下单层球面网壳结构失效模式研究

为研究单点连续冲击荷载作用下单层球面网壳结构的失效模式,应用通用有限元软件ANSYS LS-DYNA建立了40m跨度,四种不同矢跨比的K8型单层球面网壳结构有限元模型。通过分析单层球面网壳结构在单点连续冲击荷载作用下失效全过程的冲击荷载、能量转化和杆件变形特点,总结归纳出单层球面网壳结构在单点连续冲击荷载作用下的五种失效模式:网壳局部凹陷、网壳局部凹陷时杆件剪切破坏、网壳整体塌陷、网壳整体塌陷时杆件剪切破坏、杆件剪切破坏。对五种失效模式进行了全过程研究分析,明确了单层球面网壳结构在单点连续冲击全过程中肋杆、环杆、斜杆的破坏形式和能量传递与转化特点。     

支座形式对K8型单层球面网壳非线性动力稳定的影响

本研究以K8型单层球面网壳为研究对象,研究支座形式对K8型单层球面网壳非线性动力稳定的影响。在分析过程中,利用比例法调整地震作用的峰值加速度,采用B-R准则判定结构的动力稳定临界荷载。通过分析,总结出支座形式对K8型单层球面网壳非线性动力稳定的影响情况。     

屋面系统对单层球面网壳稳定性及地震响应的影响研究

单层球面网壳的静力稳定性及抗震性能已经取得较为系统的研究成果,但在传统的研究方法中,学者们只考虑结构部分,忽略了屋面板、吊顶、隔墙等非结构构件的影响;其中,屋面系统作为一类非结构构件,其平面刚度较大、在动力荷载下的阻尼也较大的特点会在一定程度上影响结构的受力特性。因此,选取考虑屋面系统的单层球面网壳作为研究对象,开展屋面系统对于单层球面网壳弹塑性稳定性及抗震性能的影响研究。采用有限元分析软件ABAQUS分别建立带屋面系统单层球面网壳和传统单层球壳的数值模型;通过弧长法分别对两种模型进行均布荷载作用下的非线性数值模拟,对比分析屋面系统对单层球面网壳弹塑性稳定承载力的影响;对考虑屋面系统的网壳结构进行不同地震荷载作用下的时程动力分析,采用基于响应的分析方法,考察屋面系统对于网壳结构抗震性能的影响,得到屋面系统会显著提高网壳整体刚度、增强结构抗震能力的结论;本研究可为以后网壳结构的理论研究及工程实践提供一定的参考。     

不同矢跨比单层球面网壳的稳定性态

本文深入分析了工程中常用的六种单层球面网壳的稳定性态,对不同形式单层网壳在不同矢跨比和荷载形式的条件下进行了线性稳定及几何非线性稳定分析,说明单层球面网壳失稳的类型与矢跨比的关系,为工程应用提供有价值的数据资料。     

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。     

单层球面网壳的弹塑性稳定性

为了解和掌握单层球面网壳在静力荷载作用下的弹塑性稳定性能,采用有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对典型单层球面网壳结构稳定性能进行对比分析,初步了解了球面网壳弹性与弹塑性稳定性能的主要差异。在此基础上进行了1000余例K8型单层球面网壳弹性、弹塑性全过程分析,同时考虑竖向均布荷载的不对称分布、初始几何缺陷等因素对球面网壳稳定性能的影响,掌握了以上因素变化对球面网壳弹塑性稳定性能的影响规律,并将其定量化。最后,通过对弹性、弹塑性稳定极限承载力的统计分析,提出适用于K8、K6型球面网壳的塑性折减系数,用以表示材料非线性对极限承载力的影响。这些成果的获得为进一步开展网壳结构的弹塑性稳定性能研究以及工程实践提供了理论依据和技术参考。     

不对称及非均匀雪荷载下单层球面网壳结构的稳定性研究

不对称非均匀雪荷载对单层球面网壳结构的稳定性有重要影响.基于非线性有限元分析理论,研究了K8型单层球面网壳结构在雪荷载下的非线性稳定性能,分析中不仅考虑了雪荷载在网壳结构投影面上分布区域的不对称性,同时考虑了雪荷载沿网壳结构径向分布厚度的非均匀性.在分布区域上分别考察了在雪荷载全跨、半跨、半跨最外两环3种情况,在分布厚度上分别考察了雪荷载均匀、非均匀2种情况.结合定量计算和概念分析,确定了网壳结构雪荷载的最不利分布状态.分析结果表明,单层球面网壳在雪荷载沿半跨最外两环非均匀分布时的稳定承载力最小,较雪荷载在全跨均匀分布、全跨非均匀分布时的稳定承载力分别下降36.4%和9.6%.基于此,建议我国现行《空间网格结构技术规程》在球面网壳稳定性验算时考虑雪荷载分布的不对称性和非均匀性.     

不同类型单层球面网壳结构弹性屈曲分析研究

文章利用ANSYS软件对三种类型的单层球面网壳结构进行弹性屈曲分析,在网壳尺寸及杆件截面相同的条件下,研究了网壳杆件分布形式对网壳屈曲临界荷载和屈曲模态的影响。研究结果表明:杆件分析形式对网壳屈曲临界荷载有较大的影响,其中,临界荷载从大到小依次为肋环斜杆型、K6型网壳、肋环型单层球面网壳;模态分析表明肋环斜杆型单层球面网壳稳定性最好。     

K6型单层球面网壳的弹塑性稳定

本文有计划地对1200余例实际尺寸的K6型单层球面网壳进行了双重非线性全过程分析,求得了它们的极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布等因素对网壳性能的影响,并重点讨论了材料非线性对网壳极限承载力的影响.通过这种大规模参数分析研究,较全面了解了K6型单层球面网壳弹塑性稳定性能的规律,在此基础上对以往仅考虑几何非线性的网壳极限稳定承载力实用公式进行了修正.     

The stability and stressed skin effect analyses of an 80 m diameter single-layer latticed dome with bolt-ball joints

Recent researches have demonstrated that bolt-ball joints have a certain amount of flexural stiffness, so they should be classified as semi-rigid joints and it is possible to apply them on single-layer latticed domes. In order to study the stability and stressed skin effect of the latticed domes with bolt-ball joints, a series of nonlinear full-produce analyses were conducted on the basis of the design of an 80 m diameter single-layer latticed dome with bolt-ball joints, which is the main structure of the Shenbei New District citizen fitness center in Shenyang, China. Above all, the moment-rotation relations for bolt-ball joints, which were established based on numerical results, were introduced into the latticed dome numerical model. Then, the nonlinear stability analyses for the latticed dome in different construction stages were carried out by the above-mentioned numerical model under vertical loads and horizontal wind loads. The mechanical behaviors discussed in this investigation including the stability and the ultimate bearing capacity of the latticed dome in different construction stages, and the influence of the stressed skin effect on the stability of the latticed dome with decorated plates. The result shows that: after being properly designed, the latticed dome with bolt-ball joints can exhibit a good mechanical performance, and this successful application of bolt-ball joints on the Shenbei New District citizen fitness center can set an example project for the design of single-layer latticed domes with semi-rigid joints; under vertical loads, it is more dangerous for the 75% complete latticed dome, while the dangerous construction stage for horizontal wind loads is the 50% completed latticed dome; the stressed skin effect can increase the stability of latticed domes.     

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。     

K8型单层球面网壳的弹塑性稳定

对1 200多例实际尺寸的K8型单层球面网壳进行双重非线性全过程分析,求得它们的极限承载力,并系统考察初始缺陷和荷载不对称分布等因素对网壳稳定性能的影响,重点讨论材料非线性对网壳极限承载力的影响。通过这种大规模参数分析研究,较全面揭示K8型单层球面网壳弹塑性稳定性能的规律性,在此基础上对以往仅考虑几何非线性影响的K8型网壳极限承载力实用公式进行修正。     

短程线型球面网壳弹塑性稳定性分析

有计划地对480余例实际尺寸的短程线型单层球面网壳进行了双重非线性全过程分析,求得了极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布等因素对网壳稳定性能的影响,并重点讨论了材料非线性对极限承载力的影响。通过大规模参数分析研究,较全面了解了短程线型单层球面网壳弹塑性稳定性能;在短程线型网壳弹性极限承载力公式基础上,利用塑性折减系数对其进行修正,提出了短程线型单层球面网壳弹塑性极限稳定承载力的实用计算公式。     

单层球面网壳失稳区域的平衡扰动

在非线性分析的基础上,基于单层网壳结构的失稳机理,对临界点时的失稳区域进行平衡扰动。具体利用奇异值分解法对失稳区域进行几何稳定性判定,并得到相应可能发生的机构位移模态,根据最小势能原理求出失稳后的几何形态,使其进入后屈曲平衡路径。本文的方法是基于网壳结构失稳时的不稳定运动进行的,较为合理地反映了结构失稳的过程,对网壳结构稳定分析方法的进一步研究具有重要意义。     

具有随机几何缺陷的大跨度单层球面网壳稳定性分析

网壳结构的稳定性是单层网壳结构设计中的关键问题。采用改进随机缺陷法对一大跨度K8型单层球面网壳进行随机缺陷稳定性分析,并研究非线性（几何非线性、材料非线性）、缺陷最大值等因素对单层网壳承载能力和临界荷载分布规律及其统计参数的影响。结果表明,单层球面网壳的临界荷载对曲面形状的安装偏差非常敏感,初始几何缺陷的影响非常大。缺陷最大值的增大将会使样本的最大值、最小值、均值及设计临界荷载显著下降,缺陷最大值对样本均方差的影响较复杂。材料非线性对大跨度单层球面网壳极限承载力的影响比较显著和复杂,对同一样本的影响有规律可循,但在不同样本之间没有必然的联系,在单层网壳结构设计中进行弹塑性稳定性分析是非常必要的。     

单层球面网壳地震反应特征分析

考虑不同矢跨比、荷载、跨度和支座刚度等多种因素的影响,对单层球面网壳在地震作用下的反应进行了较全面的研究,给出了其随各参数变化的规律,得出了在单层球面网壳抗震设计中起控制作用的是水平地震作用而不是竖向地震作用等有益的结论.此外本文还给出了由于阻尼比不同而需对引用现行抗震规范反应谱分析的网壳地震作用进行修正的建议.     

杆件初始缺陷对单层凯威特球面网壳地震响应影响研究

为研究杆件初始缺陷对单层凯威特球面网壳地震响应的影响,利用OpenSEES有限元程序,采用多段梁法模拟杆件初始缺陷,给出了OpenSEES模拟空间网格结构圆管杆件滞回的多段梁法建模参数合理取值,基于GB 50017—2003《钢结构设计规范》中压杆稳定系数拟合了圆管等效偏心率和正则化长细比的关系式。考虑杆件初弯曲方向随机分布,建立了不同参数单层凯威特球面网壳模型,对网壳增量动力分析的最大位移进行了比较。结果表明：当网壳处于弹性状态时,杆件缺陷对其地震响应的影响可以忽略;当网壳进入塑性状态后,杆件缺陷对其地震响应的影响不可忽略,不同杆件初弯曲方向的网壳地震响应离散程度随地震动强度提高基本呈增大趋势;地震动强度较大时,考虑杆件缺陷和结构整体缺陷的单层网壳地震响应和仅考虑整体缺陷的单层网壳地震响应差异较大,两者最大位移的相对大小并无规律性,其关键影响因素为地震作用下塑性杆件分布的离散程度。     

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。