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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

单层球面网壳结构的弹塑性稳定分析

考虑结构的几何非线性和材料的弹塑性,对一个K6型单层球面网壳进行稳定性分析。通过对比分析发现,此结构的弹塑性稳定承载力约为其弹性稳定承载力的50％,材料的弹塑性对不对称荷载作用下的稳定承载力的影响更显著。     

某单层球面网壳结构设计

对某70m直径单层球面网壳进行结构设计,根据受力情况选用了三种截面形式的矩形钢管,主要对自重荷载、温度荷载、雪荷载以及风荷载组合工况下的杆件进行验算。结果表明,杆件承载力满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)要求。对网壳结构进行整体稳定分析,首先通过弹性屈曲分析确定最不利工况,然后在最不利工况下,对网壳进行仅考虑几何非线性的屈曲分析及考虑材料及几何双非线性全过程分析。结果表明,网壳的稳定承载力满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)要求。     

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。     

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。     

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。     

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。     

单层肋环型椭圆穹顶网壳整体稳定性分析

大跨网壳结构具有高度的几何非线性,结构设计一般由整体稳定性控制.本文以北京某单层肋环型椭圆穹顶网壳工程为背景,利用非线性有限元计算方法,对其整体稳定性进行了线性特征值屈曲、弹性屈曲以及弹塑性屈曲三方面的分析,并求得了它们的极限荷载.同时,还考察了钢材的屈服强度以及初始缺陷对极限荷载的影响,并将数值计算结果与拟壳法所得的设计临界荷载进行了比较,得出的结论对实际工程具有一定参考价值.     

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。     

新型折板网壳结构特性及关键技术研究

折板网壳结构是一种新型的结构形式,兼具了空间桁架结构与空间网壳的优点。重点介绍了该结构在分析与设计中的关键问题:结构体系的布置与力学特性;荷载的安全取值以及构件合理计算长度系数的确定;利用弹塑性方法分析其稳定性、极限承载力以及塑性发展规律以说明折板网壳结构优异的力学承载性能;对复杂套钢管节点进行弹塑性分析。分析方法和结果可供类似结构的设计、分析参考。     

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。     

Study on the Shape Optimization of Cable-Stiffened Single-Layer Latticed Shells

The cable-stiffened single-layer latticed shell is a new type of spatial structure. In this paper, a shape optimization method is proposed for two kinds of cable-stiffened single-layer latticed shells. Firstly, an optimization algorithm is proposed to minimize the strain energy of shell. Interior-point method, conjugate gradient method and golden section method are adopted as the approach of constraint optimization, the minimization algorithm and the line search strategy, respectively. Secondly, the derivatives of stiffness matrixes of two kinds of cable-stiffened systems are discussed. Finally, optimization program is programmed in MATLAB and a numerical example is carried out. The linear buckling load, the displacement and the stress distribution of the optimized shells are investigated. According to numerical results, the structural behaviours of cable-stiffened single-layer latticed shells are improved significantly. The optimization method suggested in this paper is valid.     

新型阶梯式肋环型球面网格结构力学性能分析

阶梯式肋环型球面网格结构是一种新的结构形式,具有较强的建筑表现力,其结构性能介于单、双层网壳之间,具有较好的稳定承载力.通过对不同矢高的阶梯式肋环型球面网格结构的静力参数分析,得到了这种结构的基本性能特点与传力规律.通过动力特性分析,反映了结构基本的刚度分布规律.稳定性分析是壳体结构必须进行的计算,通过线性特征值与非线性极限稳定性分析计算了此类结构的失稳模式与极限承载力,从而较为全面地分析了这种结构的结构性能,得到了一些有意义的结论.     

K6型单层球面木网壳稳定承载力非线性分析

针对4组不同节点构造、矢跨比的木结构网壳试验模型,采用ANSYS软件中的Beam189非线性梁单元模拟连接节点的半刚性特征,开展基于多段梁模型的网壳承载力全过程非线性有限元分析。通过对比有限元与试验结果在荷载 位移全过程曲线、破坏模式以及极限承载力等方面的吻合度,判断多段梁方法在木结构网壳稳定性分析上的可行性。研究发现：多段梁方法与试验结果较吻合,多段梁分析方法可有效揭示木网壳的破坏机理;矢跨比是影响单层木网壳破坏形式的主要因素,大矢跨比易出现强度破坏,小矢跨比易出现稳定破坏,节点刚度对小矢跨比模型的影响程度更加明显;弹塑性分析时,木结构网壳的极限承载力建议按弹性多段梁有限元分析承载力的40%取值。研究成果以期为木网壳非线性稳定承载力的进一步研究提供借鉴。     

内外双重张弦网壳结构罕遇地震下的弹塑性动力响应分析

通过对不同跨度、不同初始预张力、不同下部结构形式、不同支座连接条件、不同矢跨比以及不同内弦支结构尺寸的内外双重张弦网壳结构进行数值计算,考察其在罕遇地震作用下的弹塑性动力响应特点.所有模型的网壳杆件均采用非抗震荷载工况满应力优化设计,并满足多遇地震验算.地震波采用两条天然波和由规范反应谱生成的三向人工波.采用非线性时程法对内外双重张弦网壳进行弹塑性地震响应分析.基于计算结果,统计了8度罕遇地震作用下上部网壳塑性区域、塑性发展程度和残余变形的发展特点及其分布规律.研究表明,下部结构形式、支座连接条件以及跨度对内外双重张弦网壳的弹塑性响应最为敏感;地震波对塑性杆件数量和塑性应变大小有一定影响;所有模型均没有在罕遇地震下出现倒塌.     

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.