80 m球径螺栓球节点单层球面网壳强震失效机理

为探究半刚性节点单层球面网壳在强震作用下的失效机理,以沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳为研究对象,采用通用有限元软件ANSYS,引入节点试验和数值分析数据来模拟实际工程中螺栓球节点的抗弯性能,建立可考虑节点实际连接刚度的精细化数值模型,并进一步考虑局部杆件和节点加强、壳体外表面安装维护材料等不同结构条件的变化,在此基础上,对其开展强震作用下的失效机理研究.分析结果表明:沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳的失效机理为局部节点瞬时大量破坏导致的结构动力失稳倒塌.局部加固网壳只能改善结构正常使用状态的各项响应指标,无法提高结构极限承载力.在现有结构表面安装维护面板,其各项响应指标(位移、支座反力等)皆明显增大,极限承载力下降57.1%,抗震能力明显降低.     

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.     

弦支穹顶结构预应力设计及其抗震性能研究

本文给出了弦支穹顶结构的一种基于平衡矩阵理论和最优化理论的预应力确定方法。通过对不同预应力水平以及不同上部单层网壳截面弦支穹顶的模态分析讨论了该结构体系的动力特性。并研究了弦支穹顶在地震作用下的基本特性,对比分析了相应单层网壳和弦支穹顶的动力响应。分析结果表明：弦支穹顶结构的自振频率随着预应力水平的提高而增大;但随着上部单层网壳刚度的增大,预应力的大小对其自振频率的影响逐渐减小;弦支穹顶的下部张力集成体系（索杆体系）降低了上部单层网壳大部分单元在地震作用下的最大应力,尤其是外层单元的应力。     

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。     

空间张弦结构抗震性能研究

为了了解空间张弦结构的动力特性及其抗震性能,首先对该结构和无下部索杆体系的单层网壳进行自振特性分析,然后通过时程分析讨论空间张弦结构在地震作用下的动力响应,并研究了撑杆数量、垂跨比、上弦梁刚度、预应力及拉索截面面积等参数对其动力性能的影响.分析结果表明下部索杆体系能增大空间张弦结构的刚度,空间张弦结构的低阶振型以竖向振动为主.撑杆数量、垂跨比及上弦梁截面的增加有利于增大结构刚度及提高结构抵抗整体变形的能力,但预应力和下弦拉索面积对空间张弦结构抗震性能的影响较小.     

罕遇地震下弦支穹顶的弹塑性动力响应分析

基于18个算例模型,对弦支穹顶在罕遇地震下的弹塑性响应特点进行考察,分析初始预张力、下部结构刚度及其对称性、支座连接条件以及矢跨比等因素的影响.结果表明,罕遇地震下大多数模型的塑性杆件主要出现在上部网壳的中部而不在临支座区域;增加初始预张力会造成结构的塑性杆件数及残余塑性应变明显增加;下部结构的对称性和网壳矢跨比对弦支穹顶的弹塑性响应最为敏感.提出一个定量评价罕遇地震作用后弦支穹顶破坏程度的极限承载力剩余率指标.利用该指标进行分析表明,7度时弦支穹顶结构的杆件按小震弹性设计、8度时按中震弹性设计,则罕遇地震后结构的极限承载能力一般能够保持在90%以上.     

强震下弦支穹顶结构的动力失效探讨

为了揭示强震下弦支穹顶结构的动力失效机理,分别采用双线性本构模型和应变-损伤耦合本构模型,对一个8点支承的弦支穹顶结构进行了不同地震加速度下的全过程动力时程分析,考察了2种不同材料模型下的结构动力失效.同时对采用应变-损伤耦合本构模型的结构进行了深入研究,对该结构最大位移、塑性杆件数、杆件的应变能密度和动能密度、构件应力及应力变化率等多个物理量准则进行了考察分析.结果表明:采用应变-损伤耦合本构模型能更加准确地反映结构的动力失效,且这些物理量都能大致反映结构动力失效过程中的失效时刻;同时也反映了失效时结构最大位移、杆件塑性发展、索力松弛等失效特征.     

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.     

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.     

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.     

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。     

联方网壳及其弦支结构的冲击性能

应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立50m跨度的单层联方球面网壳及其相应的弦支网壳的有限元模型并进行数值模拟分析,得到联方单层球面网壳及其相应弦支网壳的冲击力、位移及杆件应力随着冲击速度和冲击体重量变化的时程曲线变化规律.通过分析表明联方网壳及其弦支结构的冲击过程相类似,可以分为冲击阶段、稳定相持阶段和衰减阶段3个阶段;网壳杆件突然断裂会导致冲击力发生突然的变化;弦支结构相对于联方单层网壳而言,在相同的冲击速度和冲击重量的作用下,弦支结构可显著减小网壳的最大位移,增加网壳的抗冲击能力;弦支结构索力的增加可适当减小冲击产生的位移,但减小效果有限;径向杆件和环向杆件的冲击应力距离冲击点越远,冲击应力峰值及残余应力也越小.     

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。     

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。     

短程线网壳结构强震作用下的动力强度破坏

为对短程线型单层球面网壳结构进行强震作用下的动力全过程分析,研究了结构的失效机理.对40m跨的短程线型理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行全过程动力时程分析,考查了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式,采用一致缺陷模态法处理初始缺陷,分析初始缺陷对短程线网壳结构动力性能的影响;对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考查地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响,研究在不同条件下短程线网壳结构的动力失效机理和破坏模式;将研究结果与其它球面网壳结构进行了比较,验证了已提出的理论框架的合理性和实用性.     

2008奥运会羽毛球馆新型预应力弦支穹顶结构施工监控

2008奥运会羽毛球馆屋盖新型弦支穹顶结构跨度93m.钢材用量60 kg/m~2.利用振弦应变计和全站仪对屋盖弦支穹顶结构的张拉施工进行了索力、网壳构件内力、网壳节点位移的全过程施工监控,并与ANSYS有限元分析的施工模拟值进行了对比.施工监控数据表明索力、构件内力、结构位移与仿真分析偏差在合理的范围之内,以索力为主控参数,节点竖向位移为第2控制参数,并综合考虑构件内力,认为结构施工张拉已经达到设计要求.     

受压弦管填充混凝土的矩形钢管桁架静力性能分析

为了研究弦管填充混凝土对矩形钢管桁架结构受力性能的影响,以受压弦管填充混凝土的矩形钢管桁架梁为研究对象,采用有限元数值模拟的方法,综合考虑材料非线性和几何非线性,分析了模型在节点荷载作用下结构的应力和变形分布、塑性发展和破坏模式。结果表明：下弦空管节点应力集中现象较明显,其承载能力是整个桁架承载能力的瓶颈;桁架的破坏模式是下弦空管节点塑性变形过大;弦管填充混凝土的节点变形和应力均很小,其承载能力较空弦管节点提高较大,受压弦管填充混凝土的矩形钢管桁架延性较好。     

80 m球径螺栓球节点单层球面网壳地震响应分析

为探究半刚性节点单层球面网壳在地震荷载作用下的动力响应特征,针对沈北新区80 m球径螺栓球节点单层球面网壳,采用有限元软件ANSYS,引入节点试验和数值分析数据来模拟实际工程中螺栓球节点的抗弯性能,建立可考虑节点刚度的精细化数值模型,并进一步考虑局部杆件和节点加强、壳体外表面安装围护材料等不同结构条件的变化,在此基础上,对其开展了自振特性及在不同峰值地震荷载作用下动力响应分析.分析结果表明:本项目已建成的大跨度螺栓球节点单层网壳具有良好的抗震性能,但螺栓球节点单层网壳局部开洞会形成明显的刚度薄弱区,建议洞口周边采用焊接球节点并对周圈杆件加强.若在现有结构外表面安装围护玻璃则导致结构的抗震性能明显降低,罕遇地震下,节点最大位移将比竣工结构增大140.1%,杆件最大应力增大77.8%,节点最大位移时程曲线有发散迹象,表明结构有发生整体倒塌的可能性.     

多点冲击荷载作用下单层球面网壳试验研究

为研究网壳结构在多点冲击荷载下的动力性能,本文通过对K6型单层球面网壳进行多点弹性冲击试验研究,分析冲击过程关键杆件动应变峰值,关键节点位移峰值及加速度时程曲线,发现冲击点数量和冲击位置对网壳结构冲击区的动力响应影响较大。通过ANSYS/LS-DYNA建立了试验模型的等尺寸模型,综合对比试验与数值模拟结果发现:模拟结果与试验结果吻合较好,结构动力响应变化趋势相同。研究发现:随着冲击点数的增加,网壳冲击区的应变、位移及加速度逐渐增加;在相同的冲击点数量及冲击速度下,冲击点越集中,网壳结构冲击区的应变、位移及加速度越大;当冲击点数量一定时,冲击点距离网壳结构顶点越远,网壳结构冲击区的位移越小。     

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.