杆件初弯曲对网壳结构弹塑性稳定性能影响研究

为研究杆件初弯曲对网壳结构弹塑性稳定性能的影响,采用多段梁法模拟杆件的初弯曲,通过ANSYS软件给出2种建模方法引入网壳结构的杆件初弯曲。根据杆件初弯曲的随机性介绍随机缺陷模态法,以Kiewitt-8型网壳为例解释随机缺陷模态法的模拟过程并考察杆件初弯曲方向角和幅值随机变量对网壳稳定性的影响,由此得到修正的一致缺陷模态法。基于上述方法,分析考虑杆件初弯曲的Kiewitt-6、Kiewitt-8和短程线型单层网壳的稳定性,定量给出杆件初弯曲对不考虑节点偏差结构和考虑节点偏差结构承载力的影响。结果表明：对于不考虑节点偏差结构和考虑节点偏差结构,杆件初弯曲将明显降低结构承载力,并且能够改变结构的塑性发展程度,杆件初弯曲对单层网壳弹塑性稳定性能的影响不可忽略;修正的一致缺陷模态法能够有效评估考虑杆件初弯曲的网壳结构承载力的较小值。     

随机杆件初弯曲对K6型网壳稳定承载力的影响研究

单层网壳属于缺陷敏感型结构,初始缺陷对其稳定承载力影响较复杂。为研究随机杆件初弯曲对网壳整体承载力的影响,以K6型单层球面网壳为对象,推导了实现具有杆件随机初弯曲网壳的相关公式,并详细阐述了其在有限元程序中的实现方法,分别研究了杆件初弯曲幅值、弯曲方向角及二者耦合作用对网壳结构稳定承载力的影响程度。主要得出如下结论:当初弯曲幅值δ取为确定值l/1 000时,与理想网壳相比,承载力下降5%左右;当δ取为确定值l/250时,承载力下降14%左右。与随机初弯曲幅值相比,初弯曲方向角对网壳结构稳定承载力的影响较小。同时考虑弯曲幅值与弯曲方向角的随机性时,杆件初弯曲对网壳稳定承载力的影响更为显著。推导的建模公式及其有限元方法可推广至其它类型的空间网格结构中。     

随机初始缺陷对单层球面网壳承载力的影响研究

单层球面网壳属缺陷敏感型结构。为研究杆件初弯曲、节点偏差及二者耦合作用对单层球面网壳整体稳定承载力的影响,首先推导了实现杆件初弯曲的相关算式,并阐述了其有限元实现方法;然后采用3种建模方法,分别研究了随机杆件初弯曲、随机节点偏差及二者耦合作用对网壳稳定承载力的影响程度。计算结果表明:随机杆件初弯曲对网壳的稳定承载力有显著影响,与理想网壳相比,当δ=l/1 000(l为杆件长度)时,极限荷载平均下降了约16.3%,且服从正态分布;随机节点偏差越大,网壳的极限荷载越小,离散性越大;杆件初弯曲与节点偏差耦合作用对网壳稳定承载力影响显著,对于所考虑的最大初弯曲幅值与节点偏差,极限荷载下降了17.8%~27.2%;权衡精度与计算量,研究具有杆件初弯曲网壳的稳定承载力时,宜采用8~10根等代直梁等代每根初弯曲杆件。     

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。     

杆件随机初弯曲对半刚性连接单层网壳稳定承载能力影响研究北大核心CSCD

单层网壳结构是一种缺陷敏感型结构,其稳定承载能力受节点刚度和杆件初弯曲的影响较大.为更有效地研究节点半刚性和杆件随机初弯曲对网壳稳定承载能力的影响,引入双单元法实现了对网壳节点半刚度特性的模拟,运用了一种同时考虑节点刚度和杆件初弯曲的数值方法,分析了节点刚度、杆件初弯曲大小和方向的随机性对网壳屈曲承载能力的影响.深入研究了屈曲荷载系数的概率分布,得到其概率分布规律,拟合了关于网壳屈曲荷载系数的对数均值和对数标准差随节点刚度系数变化的折减系数公式.据此可高效简便地推导出网壳屈曲荷载系数的置信区间,从而得到网壳的极限屈曲荷载,为单层网壳结构的稳定承载能力分析提供了一种准确实用的分析方法.     

结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用

介绍了作者研究开发的结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用。采用杆系模型 ,包括梁、柱、墙单元、拉压杆单元、弹簧单元和阻尼单元 ,可建立各种结构计算模型 (质点系模型、平面或空间框架模型 )。对柱和墙单元等压弯杆件 ,采用了“多弹簧模型”和“纤维模型”来考虑变动轴力和双向弯曲荷载之间的耦合作用 ,能够表达压弯杆件在多轴荷载作用下的力学特性 ,从而比较真实地模拟结构弹塑性地震反应。为了表达各种荷载作用下杆件或弹簧的力和变形关系 ,作者开发和引进了多种材料恢复力模型 ,这些恢复力模型模拟了材料的非线性。在结构分析过程中也采用近似方法考虑了几何非线性。采用以上计算模型 ,作者开发了结构三维弹塑性分析计算机程序 ,用于分析遭受地震作用的建筑物 ,其结果与实际的地震破坏吻合较好 ,能够说明结构的破坏机制。     

纤维模型在网壳结构动力分析中的应用

简要介绍了目前动力弹塑性分析中应用日趋广泛的纤维梁柱单元模型.将其应用到网壳结构动力响应分析中,通过计算分析表明该模型有着较高的计算精度,能精确模拟出强震下网壳结构杆件的塑性不均匀开展.通过算例分析表明,杆件塑性不均匀开展对结构的动力响应有显著影响,对结构动态承载力有较大削弱.     

结构三维弹塑性分析方法及计算机程序CANNY

介绍了作者研究开发的结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用。采用杆系模型,包括梁,柱,墙单元,拉压杆单元,弹簧单元和阻尼单元,可建立各种结构计算模型（质点系模型,平面或空间框架模型）。对柱和墙单元等压湾杆件,采用了“多弹簧模型”和“纤维模型”来考虑变动轴力和双向弯曲荷载之间的耦合作用,能够表达压弯杆件在多轴荷载作用下的力学特性,从而比较真实地模拟结构弹塑性地震反应。为了表达各种荷载作用下杆件或弹簧的力和变形关系,作者开发和引进了多种恢复力模型,这些恢复力模型模拟了材料的非线性。在结构分析过程中也采用近似方法考虑了几何非线性。采用以上计算模型,作者开发了结构三维弹塑性分析计算机程序CANNY,用于分析遭受地震作用的建筑物,其结果与实际的地震破坏吻合较好,能够说明结构的破坏机制。     

三心圆柱面网壳弹塑性地震响应分析

通过对不同跨度、不同长度、不同支承形式以及不同厚度的三心圆柱面网壳进行数值计算,考察其在设防烈度及罕遇地震作用下的弹塑性动力响应特点.所有柱面网壳模型的杆件截面均根据非抗震设计工况满应力优化设计确定,并满足多遇地震作用的验算.通过对杆件进行单元细分并引入初始缺陷以有效模拟压杆的失稳.由规范反应谱生成三向人工波,采用非线性时程法计算网壳的弹塑性响应.基于计算结果,统计了7度、8度中震及大震作用下的结构塑性变形发展特点和塑性杆件分布区域.研究表明:网壳长度、跨度和厚度的改变会使结构出现较大的弹塑性响应差异;仅满足小震验算的三心圆柱面网壳在中震和大震作用下可能会失效,且失效结构的薄弱位置主要位于距支座1/4跨度的区域;网壳从薄弱区域杆件出现塑性应变到整体结构失效的时间间隔很短.为满足"三水准"的抗震设防目标,建议三心圆柱面网壳的抗震设计进行中震及大震验算.     

带有初始缺陷的钢桁架极限承载力分析研究

本文以杆系单元有限元为基础，通过采用杆端集中弹塑性变形假定，导出了考虑应变强化和刚度退化效应的非线性恢复力模型，能模拟杆件真实的弹塑性刚度在加载过程中的连结变化过程。据此，笔者编制了一套计算破坏荷载的计算机程序，此外，还进行了６ｍ跨有初弯曲缺陷的钢桁架极限承载力实验，试验值与理论值吻合较好。     

网壳结构考虑杆件失稳过程的整体稳定分析

通过引入杆件初始缺陷的方法对杆件失稳过程及其对网壳结构整体稳定性能的影响进行分析。首先研究杆件的单元划分数量和缺陷幅值对杆件稳定承载力的影响,提出合理的缺陷幅值。进而计算分析了世博轴阳光谷网壳结构杆件失稳过程中的内力变化及对结构整体稳定性能的影响。结果表明,结构非对称、杆件截面有强弱轴的网壳结构易引起杆件失稳,网壳结构整体稳定分析中可通过对杆件施加初始缺陷有效地考虑杆件失稳对整体稳定性能的影响;对整体失稳之前存在杆件失稳的网壳结构,有必要引入杆件初始缺陷考虑杆件连续失稳的影响。最后提出了网壳结构稳定分析的合理计算流程。     

考虑杆件失稳的单层球面网壳稳定性分析与试验研究

为研究杆件初始缺陷和杆件失稳对网壳结构稳定性的影响,采用ANSYS有限元分析软件,引入杆件的初始缺陷,考虑杆件自身的屈曲破坏,确定其最不利整体缺陷模态和杆件缺陷模态。采用传统梁单元模型和精细化壳单元模型分别对采用圆钢管、矩形钢管、工字钢三种不同截面形式杆件的网壳结构进行稳定性分析,结果表明,考虑杆件缺陷的网壳结构稳定承载力大幅度降低。进行杆件轴力跟踪分析和杆件失稳传导分析发现,单层网壳的整体稳定破坏源于单根杆件的率先屈曲,杆件失稳瞬间迅速向相邻杆件传导,导致结构整体破坏。进行了K6（2）工字钢截面网壳的加载破坏试验,验证了预设缺陷的单根杆件失稳并传递诱发了整体破坏,且承载力受工字钢弱轴缺陷的影响很大。     

防屈曲技术在某网架加固工程中的应用

结合工程实践提出了一种基于防屈曲技术的网架杆件加固方案,并进行了理论研究和数值分析。推导了小挠度状态下加固杆件的挠曲微分方程,根据边界条件和节间变形协调条件,得到杆件失稳特征方程的解析表达式。分别采用梁单元和壳单元对加固杆件的欧拉临界力及弹塑性极限承载力进行有限元分析,欧拉临界力理论值与计算值吻合良好,验证了理论公式的正确性。壳单元模型能够更精确地计算杆件在非线性条件下的极限承载力,梁单元模型计算结果则需要进行修正。研究表明提出的加固方案能够有效提高杆件稳定承载力,并且具有施工简便、快速高效等优点。     

某高烈度区超限减震框剪结构弹塑性地震响应影响因素分析

对位于高烈度区、采用黏滞流体阻尼器减震设计的某高度超限钢筋混凝土框架-剪力墙结构进行弹塑性时程分析,研究了地震波幅值、黏滞流体阻尼器的阻尼系数和阻尼指数对该结构弹塑性地震响应的影响。采用MARC软件对整体结构进行建模与弹塑性时程分析,并基于MARC软件介绍了模拟混凝土梁、柱的纤维梁模型,模拟剪力墙的分层壳模型与黏滞流体阻尼器的模拟方法。分析结果表明:地震波幅值增大时,阻尼器的减震效果降低;阻尼指数不变时,结构的弹塑性地震响应随阻尼系数的增大而减小;阻尼系数不变时,结构的弹塑性地震响应随阻尼指数的增大而增大;但是结构在罕遇地震作用下的响应对阻尼系数和阻尼指数的变化不敏感,因此阻尼器参数的优化可以只考虑多遇地震作用。     

杆件初弯曲对半刚接单层柱面网壳稳定承载力的影响研究

为了系统地研究杆件初弯曲对半刚接单层柱面网壳稳定承载力的影响,对5种矢跨比的半刚接网壳进行了双重非线性全过程分析。首先阐述了焊接球节点刚度及随机杆件初弯曲的确定方法,然后深入研究了杆件初弯曲对5种矢跨比的半刚接网壳稳定承载力的影响程度,最后探讨了具有杆件弯曲的半刚接网壳的破坏过程。研究结果表明,杆件初弯曲对半刚接网壳稳定承载力的影响程度与网壳矢跨比和初弯曲分布形式有关。如杆件初弯曲对矢跨比为1/3、1/4半刚接网壳的影响甚微,对矢跨比为1/5半刚接网壳的影响较为明显。矢跨比为1/6半刚接网壳的承载能力对个别杆件的弯曲形式较为敏感,而对某些杆件的初弯曲形式不敏感;随着矢跨比的减小,具有杆件初弯曲的半刚接网壳的极限荷载的离散性先增大后减小;网壳达到极限状态之后,失稳区域的竖向位移、杆件的弯曲应力和节点的转角迅速增大,网壳的受力状态转变为弯曲应力状态,当失稳区域的位移较大时,会引起该区域部分杆件丧失稳定,最终导致网壳发生整体失稳。     

基于分段纤维模型的网壳结构极限承载力分析

针对采用有限元通用梁单元模拟杆件无法准确计算网壳结构塑性变形的发展情况,提出采用分段纤维模型模拟结构杆件以准确计算网壳结构的极限承载力。通过参数化分析,同时考虑计算效率与精度,确定了截面纤维与杆件积分段的合理划分数量。分别采用分段纤维模型与有限元软件通用梁单元模拟杆件计算网壳结构的极限承载力。计算结果表明,采用分段纤维模型可计算塑性变形的分布位置与发展程度,且可模拟杆件失稳,采用有限元软件通用梁单元建立计算模型将高估网壳结构的极限承载力。     

考虑杆件失稳的半刚接网架稳定性研究

在传统的网架结构设计与分析中,常假定杆件之间的节点为理想刚接或铰接,而实际网架中的节点属于半刚性节点.为了理清节点弯曲刚度对网架稳定性能的影响,提出了一种含有杆件初弯曲的半刚接力学模型,针对具有不同节点弯曲刚度的网架开展了大量的双重非线性分析,探讨了杆件失稳与网架整体失稳之间的内在关系.主要得出如下结论:提出的力学模型可方便有效地考虑网架中的杆件失稳、节点刚度及杆件初弯曲问题;对于具有杆件初弯曲的网架而言,当正则化弯曲刚度κ_b大于3.0时,网架的极限荷载基本接近;当κ_b小于1.5～2.0后,极限荷载明显降低.提高节点的弯曲刚度可有效提高网架的稳定承载能力;杆件初弯曲对网架的稳定承载能力有一定影响,随着κ_b的减小,具有初弯曲杆件的半刚接网架的极限荷载下降量逐渐增大;杆件初弯曲的分布形式不同,网架的失效模式不同.同时失稳杆件的位置具有一定的规律,即失稳杆件集中分布在某一列或某两列的纵向或横向网格内;杆件初弯曲的存在会加剧P-Δ效应,使得部分压杆提前丧失稳定;提出的能考虑杆件失稳的半刚接网架力学模型可推广至双层球面与双层柱面网壳等其他类型的空间网格结构.     

杆件初弯曲及偏心对单层柱面网壳稳定承载力的影响研究

单层网壳属于缺陷敏感型结构.为理清杆件初弯曲及杆件偏心对单层柱面网壳稳定承载力的影响程度,对1500余例缺陷网壳进行了双重非线性分析,深入研究了两者对网壳稳定承载力的影响程度与规律.研究表明,杆件初弯曲对网壳稳定承载力的影响程度与矢跨比有关,对于文中算例,矢跨比为1/6的网壳的承载能力对杆件初弯曲较为敏感,而其他矢跨比网壳对此不敏感;随着矢跨比的减小,极限荷载的变异系数先增大后减小.杆件偏心对网壳极限荷载的影响程度也有矢跨比有关,杆件偏心对矢跨比为1/6的网壳的极限荷载影响最为显著;网壳的稳定承载能力与杆件偏心的分布形式及大小均有紧密关系.     

网架结构安装应力的影响机理

为研究网架结构杆件安装应力的分布特征,对跨度为4、5、6 m各3个,共9个网架模型进行了安装应力试验测量。为说明安装应力对网架极限承载力的影响,对跨度6 m的试验模型进行了极限承载力试验,并将结果与基于理想弹塑性、马歇尔压杆模型的Abaqus非线性分析结果进行了对比。安装应力测量结果表明：少数杆件安装应力接近甚至超过稳定应力。承载力对比表明：试验承载力比理论承载力下降了17.9%,结构安全储备仅为1.25。安装应力通过破坏结构原有对称性、产生杆件初弯曲、促使压杆提前失稳等方式影响网架结构性能,危害网架结构的安全。网架设计特别是满应力设计应当充分考虑安装应力的不利影响。     

行波激励下圆柱面巨型网格结构的地震响应分析

考虑到大跨空间结构中的空间相关性影响,采用动力时程分析方法研究了一维及多维罕遇地震作用下行波激励对圆柱面巨型网格结构的地震响应影响。首先通过输入水平横波和纵波,考察行波激励时结构弹塑性位移和应力大小、应力范围、以及屈服杆件随时间的分布和发展,然后研究了不同维数地震作用下和不同跨度下结构的行波效应,结果表明,行波激励对结构响应的影响与一致激励下有较大差异,且不同地震作用下和不同跨度下的差异有所不同,说明对大跨度空间结构需要考虑不同地震作用下的行波激励影响。