蜂窝型柱面网壳结构的参数化设计及加强

利用通用有限元软件ANSYS参数化设计语言,建立蜂窝型网格(正六边形)的柱面网壳模型。同时,针对单纯的六边形网格柱面网壳由于刚度和稳定性较低,无法在中大跨度网壳结构中使用的问题,借鉴网壳、网架结构中正放四角锥型的腹杆连接形式,提出在每个六边形网格上施加正放六角锥型腹杆的连接形式,从而使每个六边形网格都得到加强。结构分析表明,单元网格得到加强后的六边形网格柱面网壳整体刚度和稳定性都得到很大程度的加强,且由于网格加强的杆件均采用较小的截面以及结构得到加强以后自身承载能力增加所带来的耗钢量的降低,故加强后的结构在保留六边形结构简洁、通透、耗钢量低等优点的前提下,大大提高了六边形网格柱面网壳结构的适用范围。同时,采用参数化设计方法建立的参数化建模程序为进行不同类型、不同几何参数下六边形柱面网壳的受力分析和设计方案比较提供了极大的方便。     

一种矩形平面弦支柱面网壳的形体及受力特性研究

弦支穹顶是一种典型的由索、杆、梁单元组成的空间结构,可充分发挥预应力技术的优势来提高单层网壳的刚度和承载能力.近年来已有较多的研究和工程应用,如用于体育建筑、会展建筑等,但其建筑平面多为与穹顶球面(椭球面)网壳相应的圆形平面(椭圆形平面),比较单一,影响了推广应用范围.本文提出一种由上部单层柱面网壳和下部弦支体系组合而成矩形平面的弦支柱面网壳,对其结构型体进行了研究.根据单层柱面网壳网格类型和弦支形式提出了n环弦支单向斜杆正交正放网格型柱面网壳、n环弦支两向正交正放网格型柱面网壳、n环弦支联方网格型柱面网壳、n环弦支三向网格型柱面网壳等四种弦支柱面网壳.以单跨单波三环弦支单向斜杆正交正放网格型为例对弦支柱面网壳的受力特性进行了深入研究,探讨了预应力水平、杆件截面、矢跨比等参数变化对弦支柱面网壳内力和变位的影响,并对其特征值屈曲、非线性屈曲和基本模态进行了分析.分析研究结果表明,矩形平面的弦支柱面网壳是一种技术经济指标优越、有推广应用前景的新型空间结构.     

点刚度法在提高柱面网壳刚度中的运用

阐述了点刚度法的基本概念。以 4 5m× 81m双层柱面网壳为例 ,对柱面网壳杆件布置形式对网壳刚度及用钢量的影响进行了研究。分析了两向正交正放、两向斜交斜放、正放四角锥、棋盘形四角锥、正放抽空四角锥等几种形式在相同荷载条件下的内力分布、三个方向最大位移及用钢量方面存在的差别。用点刚度法加以解释 ,得出了一些方法和结论。     

双曲面钢结构冷却塔的结构选型和节点受力分析

针对某大型双曲面钢结构冷却塔工程,采用棋盘式四角锥双层网壳、正交正放四角锥双层网壳和交叉桁架双层网壳3种不同结构体系进行方案比选。结果表明:棋盘式四角锥体系较其他两种结构体系用钢量少,稳定性能更好;通过对15个不同厚度和网格尺寸的棋盘式体系的冷却塔模型进行对比分析,得出了网壳厚度和网格尺寸对结构用钢量和稳定性能的影响规律;选取冷却塔上受力较复杂的节点,采用有限元方法分析其承载力,建议按节点承载力不低于构件承载力的原则对节点采取加强措施。     

单层柱面索拉网壳结构静力特性分析

柱面索拉网壳是一种混合形式的单层网壳,常用于玻璃采光顶支承结构.本文讨论了这种结构的静力特性,比较了在满跨荷载作用下单层柱面索拉网壳和普通柱面网壳的位移及钢杆件应力,然后计算了各种参数(钢杆件截面、索截面、索初始预应力、长跨比、矢跨比)对柱面索拉网壳结构静力特性的影响,计算结果表明:单层柱面索拉网壳的静力特性优于单层柱面网壳;单层柱面索拉网壳的位移随着钢杆件截面和索截面的增大而减小;一定的初始预应力对索拉网壳的静力特性影响很大;随着矢跨比增大,柱面网壳的位移先增大后减小;结构的位移和钢杆件应力随长跨比的增大而增大.     

单层柱面索拉网壳结构动力特性分析

柱面索拉网壳是一种新型的玻璃采光顶支撑结构。讨论这种结构的动力特性,比较单层柱面索拉网壳和单层柱面网壳的自振频率及其相应振型。通过计算,分析长跨比、矢跨比、索截面、索初始预应力、钢杆件截面对柱面索拉网壳动力特性的影响。计算结果显示:单层柱面索拉网壳的动力特性优于单层柱面网壳;单层柱面索拉网壳的自振频率随着钢杆件及索截面的增大而增大,随长跨比的增大而减小。索的初始张拉力对索拉网壳的动力特性影响很大。     

铰接六杆四面体柱面网壳的构形及静力和稳定性分析

提出了两种新型的由投影面为矩形的铰接六杆四面体组成的柱面网壳。这种网壳结构的构形十分简单,节点和杆件数目相对于双层柱面网壳结构较少,网格抽空率高,具有单层和双层柱面网壳的主要优点。对两种铰接的六杆四面体组成的柱面网壳进行静力和线性与非线性稳定性分析,结果表明:下弦支撑的铰接六杆四面体柱面网壳结构整体刚度好,由线性特征值屈曲分析和考虑几何初始缺陷、荷载不对称布置的稳定性分析结果可知,其具有较好的力学性能,并且温度对其稳定性的影响较小。铰接的六杆四面体组成的柱面网壳可以采用螺栓球作为节点,有利于标准化设计、工业化生产和装配化施工,符合绿色建筑的推广应用条件。     

大型局部双层网壳的体系及稳定性研究

本文总结了近四年课题组关于大型局部双层网壳的研究成果。首先介绍了局部双层网壳体系及其成形方法,一般可基于基本的双层、单层网壳演变而来,如球面(大矢高、小矢高)、柱面网壳,叉筒以及其它组合形式。几何非线性混合有限元法是分析结构稳定特性的有效方法,弧长法、广义增量法与Newton-Raphson方法结合可实现屈曲后过程跟踪,可以采用通用有限元软件或开发程序。然后主要用自己编的程序进行了大量典型局部双层网壳的稳定特性分析及参数影响分析,包括矢高、跨度、矢跨比、厚度、厚跨比、单层区域大小、支承边界刚度等。最后介绍了几个大型局部双层网壳工程设计应用,并进行了稳定特性分析,保证强度与稳定的合理性。     

半刚性双层柱面网壳结构的动力分析

本文旨在通过数值方法分析双层柱面网壳的动力性能。建立了具有不同节点刚性的双层柱面网壳结构的有限元模型,能够合理模拟节点半刚性。采用该有限元模型对双层柱面网壳结构的动力性能进行了分析,计算了结构的自振频率。研究了节点刚度、网壳矢跨比、跨度对结构自振特性的影响规律。分析表明,随着节点刚度的增加,网壳结构的自振频率略有增加,增加幅度为1%左右。结构的自振频率随矢跨比的减小而增大,增幅约为47%,随跨度的增大而减小,减小幅度约为44%。本文的结论将对双层柱面网壳结构的设计、优化和施工提供有益的参考。     

索撑双向网格型单层柱面网壳稳定性研究

双向网格型单层柱面网壳结构不仅外型美观、各构件布置规则,而且质量轻、采光好。但是随着网壳跨度越来越大,整体稳定性问题也日益突出,因此制约了此类网壳结构在实际工程中的应用。为此,针对双向网格型单层柱面网壳结构,提出了一种新型布索方案,即在双向网格面内布置斜拉索提高结构的面内刚度,在双向网格面外通过撑杆布置横、纵拉索提高结构的面外刚度。首先通过对不同跨度网壳结构的弹塑性分析验证拉索的布置效果,并考虑各种参数变化对结构稳定性的影响,论证了此类网壳结构的合理性和实用性。其次,结合模型的静力试验研究了此类索撑柱面网壳结构的稳定性,论证了拉索布置的合理性。结果表明,采用撑杆和拉索的交错布置后,网壳结构的受力更加合理,其承载能力有了大幅度提高。此类索撑网壳结构为缺陷不敏感结构,但是撑杆长度对结构承载能力的影响很大,对于不同跨度的网壳结构,撑杆的最佳长度有所不同,实际工程中要确保撑杆具有最佳长度。     

预应力双层柱面网壳结构的布索方案研究

预应力双层柱面网壳结构是将现代预应力技术引入双层柱面网壳当中,使网壳产生与荷载作用方向相反的位移,从而提高结构承载力,改善结构不合理受力的结构体系.目前,对于球面网壳、单层柱面网壳结构的研究已经日趋完善,而双层柱面网壳结构,尤其是预应力双层柱面网壳结构的研究相对较少.因此,选取大跨度的双层柱面网壳结构,利用有限元法,选择对结构受力有利的4种布索方案,结合3种荷载工况,并考虑结构矢跨比、网壳跨度、网壳厚度进行对比分析.     

考虑安装应力的网格结构稳定承载性能试验研究

为研究安装应力对网格结构承载性能的影响,对平面尺寸为7m×12m和5m×12m的两个正交正放四角锥网架进行破坏性试验及有限元分析,结果表明安装应力使网格结构稳定承载力出现较大幅度的降低。对204个平板网架模型和140个双层柱面网壳模型进行参数分析,得到安装应力对稳定承载力的影响系数。采用有限元分析方法研究了38个具有整体失稳可能性的双层球面和双层柱面网壳模型,得到了稳定承载力安全系数K的合理取值范围。结果表明：试验测得的整体变形、刚度和稳定承载力与理想结构存在明显差异;安装应力对稳定承载力的影响系数服从正态分布,平板网架、双层柱面网壳稳定承载力影响系数分别为0.50和0.55;当考虑安装应力初始缺陷,采用Marshall压杆屈曲失稳模型时,建议K取2.0;由于JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》提供的全过程分析方法未考虑杆件初始应力,建议K取3.0。     

空间钢结构在高速公路收费站设计中的选型研究

由于高速公路收费站在城市建筑中的特殊地位及其对结构形式的特殊需求,大跨度钢结构越来越得到广泛的应用.文章讨论了几种收费站中经常采用的结构形式,并结合具体的工程实例,对平板网架结构和双层柱面网壳结构在高速公路收费站中的选型进行了较深入的研究.研究表明,在能够满足承载力和使用要求的情况下,应优先选用正放抽空四角锥网架;在结构跨度较大时,应优先选用正放四角锥柱面网壳.     

节点刚、铰接时环向折线形单层球面网壳静力和稳定性能的分析研究

环向折线形单层球面网壳是一种新型的具有双层网架和单层网壳特点的空间桁架体系,结构分析简捷,加工制作方便,建筑造型优美,有推广应用前景。专门研究了当节点采用不同连接方案时,即当构成4种节点形式与杆件特性的连接构造时对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和加强结构体系静力和稳定性能的分析,可进一步了解这种单层网壳结构的受力特性,也是对现行《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2001)第3.1.8条强制性条文规定单层网壳应采用刚接节点的讨论,并得出一些对工程设计有重要参考价值的结论。     

多点支承双层柱面网壳结构设计

针对北安分局养老中心屋顶曲面造型、跨度大的特点,选取了双层正放四角锥柱面网壳结构的设计,系统介绍了多点支承双层网壳结构的材料选择、荷载取值与内力计算、构件的承载力和稳定性验算、变形及节点设计与施工,为设计建造同类工程提供了参考。     

局部双层柱面网壳与单层网壳的对比分析

合理的局部双层网壳结构能够较好的解决单层网壳承载力低、整体稳定性较差以及双层网壳由于杆件、节点较多造成结构繁杂的缺点,近年来得到了较多的应用.以正交正放局部双层柱面空腹网壳为例,通过与相同跨度及截面下单层网壳的对比,详细阐述了局部双层网壳在承载力、稳定性及经济指标上的优越性,得出了一些对工程设计具有指导意义的结论.     

两种正四角锥形柱面网壳参数化建模

根据正四角锥形柱面网壳特点,采用ANSYS软件自带参数化设计语言APDL（ANSYS Parametric Design Language）,研制了正四角锥体系柱面网壳参数化建模宏程序;实现了给定柱面网壳跨度S、矢高F、跨度方向网格数m、长度方向网格数n参数下,该类柱面网壳的参数化建模。建模设计实例表明,该参数化建模宏程序简单、高效、实用,为采用ANSYS软件进行不同类型、不同几何参数下柱面网壳结构建模奠定了良好的基础。     

单层柱面网壳相贯节点刚度影响分析

节点刚度与单层网壳结构的刚度与稳定性关系密切。采用了可以真实模拟相贯节点单层柱面网壳的多尺度计算模型,在节点域内采用精度较高的壳单元,在节点域外采用梁单元,节点域与杆端在连接面形心处位移与转角保持连续。该计算模型可以较为准确地反映相贯节点的力学性能,计算精度高、单元数量少,可同时进行结构整体与节点局部的计算分析。运用该模型全面考察了相贯节点刚度对单层柱面网壳跨中挠度、动力特性与屈曲性能的影响。通过对相贯节点进行补强,能够有效增强节点的刚度,采用梁单元模型即可进行单层网壳结构的计算分析,结构设计简便、结构效能较高。     

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。     

单层柱面网壳相贯节点刚度模拟方法研究

节点刚度对单层网壳结构的变形与稳定性能影响显著.本文提出一种相贯节点刚度的计算方法,通过梁元模型与壳元模型之间的对比,可以较为准确地模拟相贯节点的轴向刚度以及面内与面外抗弯刚度.对T型、Y型、X型、K型等多种相贯节点的变形性能、弹簧刚度及其影响因素进行了深入分析,研究了支管杆端变形与主管径厚比的关系,探讨了梁元模型对单层网壳结构的适用条件.为了验证该计算方法的正确性,分别采用梁元-弹簧模型与多尺度分析模型,对单层柱面网壳结构的变形性能与屈曲特征值进行了分析,结果表明两种模型具有较好的一致性.最后,给出了在单层柱面网壳结构设计时,考虑相贯节点刚度的相关建议.