基于构件冗余度均衡化的单层网壳结构优化研究

为实现单层网壳结构构件冗余度的均衡分布,减小构件间的重要性差异,提高结构抵抗荷载作用的能力。将基于灵敏度分析的构件冗余度评价方法应用到单层网壳结构中,以衡量构件在结构中的重要性;而后根据构件冗余度系数值的大小,将结构构件划分为重要构件、一般构件和次要构件三个不同层次的构件集合,实现结构构件的分类控制;在此基础上以构件的截面参数为优化变量,将结构构件的冗余度标准差与各层次构件的冗余度标准差之和最小化定义为目标函数,基于粒子群算法优化结构构件的截面参数。结果表明:构件的冗余度系数可以准确地反映构件在结构中的重要性及其破坏后对结构的影响程度,减小构件间的冗余度差异,可以实现结构构件截面尺寸的合理分布,有效提升结构的整体性能和极限承载力。     

球面网壳结构在强震下的失效机理

为实现网壳结构节点连接能力的均衡分布,改善结构性能,提升其极限承载力。基于构形易损性理论建立了衡量结构节点构形度差异性的评价指标,用以评价结构节点连接性能的差异性。在此基础上,将构件截面尺寸作为优化变量,以节点构形度差异系数最小化为优化目标,并考虑结构位移、构件长细比、强度及稳定性等约束条件,采用粒子群算法优化结构构件的截面尺寸。结果表明,节点构形度差异系数能准确反映网壳节点连接性能的差异性,通过粒子群算法优化结构构件的截面尺寸,可实现结构节点连接性能的均衡分布,改善结构在地震作用下的倒塌模式,有效提升了结构的整体性能。     

基于构形度的强震下单层球壳结构倒塌模式优化研究

基于杆系结构构形易损性理论,以构形度标准差最小为目标函数,以构件截面尺寸为优化变量,并考虑长细比、挠度、杆件强度及稳定约束条件,建立了单层球壳结构构形度优化模型。将遗传算法和模拟退火算法作为子算法,基于混合策略构造出遗传-模拟退火算法(GASA),并采用自适应策略降低算法对优化参数的依赖性。以跨度70m的单层球壳结构为例,通过凝聚过程分析识别结构存在的构形度不均匀区域。采用GASA算法对该区域的杆件截面进行构形度优化。通过对优化后结构凝聚过程分析和地震动力时程分析,表明优化模型和优化算法可以有效的解决优化变量繁多的大型单层球壳结构地震作用下倒塌模式的优化问题。     

基于构形易损性理论的单层网壳结构静力稳定性研究

经典构形易损性理论基于结构初始构形度,无法考虑荷载、约束等外在因素,但网壳结构的稳定性却与上述因素密切相关。在经典构形度的基础上,该文创新地引入几何刚度矩阵,提出了可以考虑荷载条件、几何非线性及约束的节点构形度计算方法。在此基础上,分析引入几何刚度矩阵前后节点构形度的变化梯度,识别了球壳结构的最不利稳定荷载模式并揭示了失稳机理。最不利稳定荷载模式具有构形度变化梯度显著、稳定承载力最低的特征。对于球壳结构,顶点集中荷载为最不利荷载模式。点失稳、局部失稳以及整体失稳模态均与构形度变化梯度相联系。当受荷点及其周边节点构形度显著退化时,结构发生点失稳破坏,对应顶点集中荷载模式;当部分节点区域构形度明显退化时,结构呈现局部失稳的模态,对应半跨均布荷载模式;当所有节点构形度发生同等程度的退化时,结构发生整体失稳,对应满跨均布荷载模式。     

嵌入式毂节点刚度及其单层球面网壳承载力研究

嵌入式毂节点是我国自行设计研制出来的一种新型装配式节点,具有施工方便、外形流畅、定位精度高等优点,属于典型的半刚性节点。但目前对此类节点的研究尚不够深入,现有规范尚未涉及此类半刚接单层球面网壳的相关理论计算公式和设计要求。基于此,采用ANSYS软件建立了嵌入式毂节点的精细化模型,基于幂函数模型拟合了节点的弯矩-转角公式,同时,探讨了不同跨度和矢跨比下节点刚度对单层球面网壳稳定承载能力的影响。研究表明:嵌入式毂节点在平面外弯曲时的弯矩-转角曲线以及在扭转作用时的扭矩-转角曲线均与幂函数模型吻合良好;网壳结构承载力对节点弯曲刚度的敏感程度要大于节点轴向刚度,且极限承载力对节点刚度的敏感程度会随着结构跨度或矢跨比的增大均呈现减弱的趋势。     

应用拟动力算法对单层网壳水平地震反应进行研究

本文使用在反应谱分析下所得的地震荷载为加载模式,分析了不同直径、不同矢跨比下各类单层网壳结构的动力承载能力。     

单层球面网壳结构屋面雪荷载最不利布置研究

雪荷载对大跨网壳结构的影响相对较大,而且由于风及温度等的作用,雪荷载在屋面的分布往往是不均匀的,确定雪荷载的最不利布置是保证大跨网壳结构安全设计需要考虑的问题。该文提出了一种分区组合法来确定单层球面网壳结构在屋面雪荷载作用下的最不利布置,该方法首先将屋面沿径向分为8个扇区,分别考虑雪荷载布置在不同扇区的排列组合,计算结构的极限承载力,确定雪荷载的径向最不利布置,然后再将屋面按环向分为6个环区,计算并确定雪荷载环向最不利布置,最后组合径向和环向两种情况,确定单层球面网壳结构雪荷载的最不利布置。研究结果表明,当雪荷载布置在半跨并且是最外两环时,结构的极限承载力最低,比满跨和半跨雪荷载工况分别降低24.8%和16.3%。     

单层柱面网壳结构的抗震性能研究

本文以单层柱面网壳为研究对象,针对结构参数（矢跨比、荷载、长跨比和支承刚度等）,系统研究了各参数对结构自振特性及地震响应的影响,得出了四边支承的单层柱面网壳应同时考虑竖向地震和水平地震作用的结论,并建议用时程法进行抗震分析。文中结构对实际工程有指导意义。     

基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化分析

为准确模拟地震作用下杆件损伤对单层球面网壳结构剩余承载力的影响,该文基于"拟壳法"思想,推导了单层球面网壳结构最薄弱网格区域内杆件损伤与结构剩余承载力的关系式,建立了基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估模型,并以跨度80m的K8型单层球面网壳结构为例,开展了不同地震作用下单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化研究。结果表明:建立的评估模型能够快速、准确评估薄弱网格区域处的杆件损伤对单层球面网壳结构地震剩余承载力的影响程度;应用该评估模型对单层球面网壳结构进行地震损伤优化,可明显提高结构的地震剩余承载力。     

单层柱面网壳结构的找形

该文研究刚性网壳结构的合理找形问题,将柔性结构中广泛应用的找形概念引入刚性结构,提出基于力密度法的单层柱面网壳结构的找形方法。通过在找形过程中引入自重,解决了高斯曲率为零的柱面网壳的找形问题,且通过合理找形可基本消除自重引起的弯矩和剪力。找形得到的网壳结构与传统柱面网壳在曲面外形上比较相近,但可大幅度提高单层柱面网壳结构的承载能力。该文提出的找形方法效率高、收敛性好,为单层柱面网壳结构的设计开拓了新的方法和思路。     

单层网壳结构冲击响应模式及临界冲击动能研究

采用ANSYS/LS-DYNA对60m跨度的K-6型单层球面网壳建立有限元模型,通过大量参数分析得出K-6网壳的4种冲击响应模式及其变化规律,考虑材料屈服强度、弹性模量及杆件截面积对网壳冲击响应模式及其分布规律的影响,提取网壳在冲击作用下发生局部倒塌和整体倒塌时的临界冲击动能,比较材料特性及截面特性对网壳抗冲击性能的影响,拟合了临界冲击动能的计算公式,并与有限元结果进行了对比。结果表明,K6网壳的冲击响应模式随冲击物携带动能的改变呈规律性变化。在杆件的截面特性和材料特性中,杆件的截面积对网壳的抗冲击性能影响较大,提高杆件的截面积可以大幅度提高网壳抵抗冲击荷载的能力。网壳的临界冲击动能可以利用公式进行计算。该结果对于网壳结构的抗冲击设计具有实际意义。     

大跨拱支预应力网壳结构的模糊优化设计研究

针对武汉长江防洪模型展示大厅采用的大跨拱支预应力网壳结构,考虑优化目标函数与约束条件的模糊性,建立了该类结构体系的模糊优化设计数学模型;求解时首先通过约束水平截集法,将模糊优化模型转化为一系列确定性优化模型;然后基于拱支预应力网壳的结构特点,将预应力构件（拉索和吊杆）截面尺寸、预应力作用取值（构件初始应变）以及非预应力构件截面尺寸等优化设计变量分别归为不同的优化级别,采用分级优化思想对确定性优化模型进行求解;最后依据结构经济性与安全性平衡的目标求出结构的最优约束水平,从而得到最优的结构设计方案,并同时确定结构的合理预应力分布,由此形成了拱支预应力网壳结构的两阶段三级模糊优化设计方法。     

网壳结构损伤识别的数值模拟及试验研究

网壳结构工程事故频繁发生,对其进行损伤识别及健康监测已迫在眉睫。针对网壳结构特点,推导了剩余模态力理论和最小秩摄动理论的基本公式,研究二者在大型网壳结构损伤识别应用中的有效性。依据相似理论,设计制作单层短程线网壳结构模型,对其进行模态试验研究,获取了损伤识别所必需的实测结构模态参数。利用Guyan静态缩聚技术进行有限元模型缩聚,采用最小秩摄动理论进行有限元模型修正,对比研究了基于数值模拟数据和试验实测数据的损伤位置判定及程度评估的整个过程。结果表明,基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法不仅可以识别结构单损伤位置和多损伤位置,还可以定量评估损伤程度,对网壳结构的健康诊断是可行的。     

风雪耦合作用下单层柱面网壳的动力稳定

强风带动积雪漂移可能使结构处于稳定最不利状态,而目前在这方面的研究很少。该文研究一单层柱面网壳在风雪耦合作用下的动力稳定性。首先阐述风雪耦合作用下动力稳定性的研究方法,然后介绍风雪耦合作用的数值模拟,并通过风洞试验获得网壳表面的非定常气动力,最后分析了风雪耦合作用下单层柱面网壳的动力稳定。研究表明,斜风作用和不均匀分布...     

水下耐压结构拓扑优化设计方法探究

探究了拓扑优化设计方法在水下耐压结构设计中的应用。与固定载荷作用下结构的优化设计相比,此类问题需要正确地确定压力作用面。在拓扑优化过程中,利用变密度法得到的中间结构拓扑实际上可以看成是灰度图。基于此,提出了基于图像分割技术的压力加载面搜索方法,并利用距离正规化水平集方法(DRLSE)检测图像边界。利用数值算例验证了方法的有效性,并研究了静水压力作用下结构的拓扑优化设计问题。在给定材料约束的前提下,研究了不同边界条件下耐压壳体的最小柔顺度及最优结构拓扑形式。优化结果说明了该方法在多球交接耐压壳结构形式优化设计及复杂边界条件下耐压结构新形式探索中的工程应用价值。     

凯威特型单层球面网壳在强震下的失效研究

动力强度破坏是网壳结构在遭受地震时的主要失效形式,准确的失效判别需要以基于材料损伤理论的分析为基础。为在动力时程分析中考虑材料损伤累积的因素,编制了基于有限元软件ABAQUS的用户材料子程序,具有较高的计算精度和较好的收敛性,实现了网壳结构考虑材料损伤的动力有限元分析。对单层球面网壳在强震下的失效特点进行了系统的参数研究,探讨了考虑材料损伤因素对网壳失效特征的影响;综合网壳失效时刻的多项特征响应,拟合了能够评估网壳动力损伤程度的损伤模型;基于损伤模型表示的网壳极限状态的物理意义,建立了适用于跨度40m的凯威特单层球面网壳强震失效判别准则,可用之判定网壳在强震作用下的失效极限荷载。     

单层空间网格结构刚性节点优化设计方法研究

单层网格结构中的节点不仅须传递轴力,也须传递两个方向上的弯矩。因此,单层网格结构中的节点为受力复杂的刚性节点,应具有合理的结构形式和良好的力学性能。同时,单层网格结构节点连接复杂、高空施工难度大,节点与杆件应有可靠、方便、通用的连接方式。该文提出了单层网格结构刚性节点优化设计方法：通过构造设计节点端,实现节点与杆件的连接;通过对受力复杂的节点核进行拓扑优化,开发高效的受力节点形式。在优化模型中,通过与外荷载无关的自平衡力系表示节点弯曲刚度,使得优化后的节点在任意方向上均有良好的弯矩传递能力。为避免拓扑优化中将力直接施加在设计域而导致的应力奇异问题及节点形式受限的缺点,通过施加加速度场,以体积惯性力等效集中荷载,降低了优化结果对边界条件的敏感性,获得了稳定、可靠的优化结果,解决了刚性节点拓扑优化中的关键技术难点。并以一个实际结构中的节点为例进行优化设计。通过分析节点端连接性能、力学性能以及与传统节点进行对比,验证了将拓扑优化和构造设计相结合的刚性节点优化设计方法。     

自由度匹配技术在网壳结构损伤识别应用中的比较研究

测试自由度与有限元模型自由度不匹配是损伤识别技术应用于实际工程的最大障碍，动力模型缩聚和特征向量扩充技术是解决这一问题的主要手段。提出了基于剩余模态力和最小秩摄动理论的两阶段损伤识别算法，对几种模型缩聚技术和特征向量扩充技术在网壳结构损伤识别应用中的可行性、优缺点及适用范围进行了比较研究。通过单层短程线网壳结构模型的数值模拟，同时考虑测试噪声影响，实现了测试信息不完备情况下的网壳结构损伤识别。结果表明，本文所提出的损伤识别算法可以识别出网壳结构的单位置刚度损伤，而且利用Guyan静态缩聚法和Guyan扩充法进行自由度匹配后的损伤识别结果非常准确，它们是网壳结构损伤识别应用中模型自由度匹配的最佳选择。