铝合金单层球面网壳的非线性稳定分析

以K8型单层球面网壳结构为例,采用有限元分析软件ANSYS进行建模和计算,对铝合金网壳进行了几何非线性稳定分析,讨论了矢跨比、荷载分布形式、初始缺陷和支承条件对网壳稳定性承载力的影响。通过与钢网壳比较,得到了一些关于铝合金单层球面网壳稳定性的结论,可为相关的工程设计提供参考。     

初始几何缺陷模式对单层球面网壳抗震性能的影响

为探索地震作用下单层网壳的最不利初始几何缺陷分布模式,对施加四种初始几何缺陷的单层球面网壳分别开展了抗震性能研究。参照相关文献选取一致缺陷模态一、一致缺陷模态二,特征值缺陷及一阶振型缺陷四种典型的初始几何缺陷分布模式,并介绍了四种初始几何缺陷模式的理论计算公式及施加于理想网壳的方法;通过有限元建模分析,考察了施加四种初始几何缺陷模式后单层网壳的变形及自振频率变化;分别对跨度为100 m和其它不同参数的单层球面网壳施加上述四种初始几何缺陷模式、并分别输入七条选取于唐山地震主震实测三向地震动记录开展动力时程分析,考察四种初始几何缺陷模式对单层网壳动力工作性能及承载能力的影响。结果显示,对于矢跨比为1/3的单层球面网壳,施加一致缺陷模态一后网壳的最大节点位移值较大;其它参数的单层球面网壳,施加了特征值初始几何缺陷模式后网壳的最大节点位移值较大。该研究可对单层网壳开展动力工作性能分析及结构设计考虑地震作用时最不利初始几何缺陷模式的选取提供参考。     

外爆荷载下Kiewitt 8型单层球面网壳的动力响应

为研究Kiewitt 8型单层球面网壳在爆炸荷载下的动力响应,基于LS-DYNA建立了爆炸中考虑附属结构(檩托,檩条,铆钉和屋面板)影响的40 m单层球面网壳结构有限元模型。通过分析相同爆炸荷载下不同结构矢跨比,构件尺寸和材料属性等参数对结构响应的影响,得到了球面网壳的矢跨比、杆件截面、屋面板厚度及屋面活荷载等是影响结构动力响应的主要因素。在此基础上,通过讨论相同结构在不同爆炸作用下的结构破坏及倒塌情况,提出了单层球面网壳在外爆荷载下安全距离的计算方法,为更好地建立网壳结构的抗爆设计方法和安全评估理论提供了依据。     

单层球面网壳抗连续倒塌性能研究

该文结合单层球面网壳冗余度较低、稳定性问题突出等特点,提出了一种基于构件承载能力的敏感性评价指标,对采用不同网格布置形式的单层球面网壳进行了连续倒塌分析,明确了结构在极端雪荷载作用下的连续倒塌破坏模式以及敏感构件和关键构件的分布规律,分析了初始缺陷和压杆屈曲对构件敏感性的影响。分析结果表明:网格布置形式对单层球面网壳的抗连续倒塌性能以及破坏模式有很大影响,K8型网壳以及K8-联方型网壳在撤除敏感构件后均发生了整体倒塌破坏,而短程线型网壳的内力重分布能力较强,未发生连续倒塌破坏。增大关键构件的截面尺寸比增大敏感构件的截面尺寸更能有效提高单层球面网壳的抗连续倒塌性能。考虑初始缺陷后,构件重要性系数最多增大3.0倍,敏感构件的分布位置基本不变;而考虑压杆屈曲后,结构敏感构件的数量明显增加,重要性系数增大了1.2倍~5.6倍。     

Schwedler网壳结构强震作用下的动力强度破坏研究

对Schwedler单层球面网壳结构进行了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Schwedler理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行了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,分析了初始缺陷对Schwedler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,分别考查了地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响;将研究结果与其它球面网壳结构进行了比较,验证了文献[6]提出的理论框架的合理性和实用性。     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

基于有限质点法的单层球面网壳强震作用下连续倒塌破坏研究

有限质点法是以向量式结构力学为基础的崭新的结构分析方法。该文以该方法为基础,综合考虑结构的几何非线性、材料非线性和构件断裂,研究单层球面网壳结构在地震作用下的连续倒塌破坏全过程。该文介绍了有限质点法的基本理论,提出了该方法分析结构非线性问题和断裂问题的具体思路。采用直接输入法输入地震波,利用自编程序实现了单层球面网壳结构倒塌全过程模拟。研究了矢跨比对球面网壳强震作用下倒塌性能的影响,讨论了结构的倒塌时间和倒塌模式,并基于结构的倒塌模式通过局部加强法对单层球面网壳结构进行了抗倒塌设计。     

单层球面网壳结构弹塑性稳定性能研究

有计划地针对六种实际尺寸的常用单层球面网壳结构,利用ANSYS软件及自编的前后处理程序进行了3200余例网壳双重非线性全过程分析。求得网壳的弹塑性极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布,支承条件等因素对单层球面网壳结构弹塑性稳定性能的影响,着重研究考虑材料非线性后网壳极限承载力的变化规律。通过这种大规模参数分析研究,较全面了解单层球面网壳结构的弹塑性稳定性能,为实际工程设计提供了理论依据和设计参考。     

铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性研究

为了研究K6型和K8型铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性,采用有限元软件ANSYS进行了大规模有限元分析,分析中考虑了矢跨比、跨度、屋面荷载、跨厚比、网格密度、约束条件等参数的影响。基于有限元分析结果,拟合得到了不考虑节点刚度影响时单层球面网壳的基本自振频率估算公式。考虑板式节点刚度的影响,引入基频放大系数,进一步提出了考虑板式节点刚度影响的网壳基频估算公式。将所提出的估算公式的计算值与某铝合金板式节点网壳的实测基频进行了比较,结果吻合良好,证明了公式的有效性。     

偏心爆炸荷载下网壳结构的动力响应分析

利用ANSYS/LS-DYNA动力有限元软件平台建立了包含网壳杆件、檩托、檩条、铆钉、屋面板、墙体和地面在内的40m跨度精细化典型K8单层球面网壳结构有限元模型,采用流固耦合算法对结构在内部偏心爆炸荷载作用下的动力响应进行了有限元数值模拟研究,得到了网壳结构在偏心爆炸荷载作用下的四种响应模式：结构无损伤、构件塑性发展、网壳大变形、泄爆型破坏。获得了不同爆炸点位置、杆件截面、矢跨比、支承条件、屋面板厚度等参数条件下的结构动力响应结果,通过对比分析,总结了各参数对结构动力响应的影响程度与规律,为网壳抗爆防御设计提供了依据。     

Evaluation of FRP and hybrid FRP cables for super long-span cable-stayed bridges

This paper evaluates the safety factors, the applicable lengths, and relative cost of FRP (fiber reinforced polymer) and hybrid FRP cables that are potentially suitable for cable-stayed bridges with a super long-span of between 1000 m and 10,000 m. Following previous studies on 1000-m scale cable-stayed bridges with FRP cables, two kinds of hybrid FRP cables – the previously discussed hybrid basalt and carbon FRP (B/CFRP) cable and the newly-developed basalt and steel-wire FRP (B/SFRP) cable – as well as conventional steel cable, CFRP cable, and BFRP cable are further investigated focusing on their promise in meeting potential requirements for super long-span bridges. Some major results are as follows: (1) a three-stage model for determining safety factors of cables with different kinds and lengths is proposed; (2) a threshold of λ² is suggested to achieve both high material and stiffness utilization efficiency, based on which the applicable lengths for different kinds of cables were evaluated; and (3) hybrid B/SFRP cables and BFRP cables are comparable in cost to steel cables within a 3000 m span, while hybrid B/CFRP cables and CFRP cables demonstrate a superior performance/cost ratio over a longer span.     

张弦双向网格型单层柱面网壳稳定性及可靠度分析

在双向网格型单层柱面网壳面外布置弦杆和拉索形成张弦结构体系,有效地增强了结构的承载能力。该文针对40 m、50 m、60 m跨度网壳,分析了网壳随预应力、矢跨比、初始缺陷以及拉索强度等参数变化对结构静力稳定性能的影响,并结合100 m和120 m大跨度网壳算例,论证了该结构体系的实用性。基于ANSYS和MATLAB响应面法,分析了网壳在承载力失效和变形失效两种失效形式下的的可靠度,获得了失效概率、可靠指标及其灵敏度和相关性。结果表明,布置弦杆和拉索后结构稳定承载力最大可提高744%。100 m跨度网壳的稳定承载力的失效概率为1.026 54×10?1,其可靠度相对较低。跨度小于60 m网壳的稳定承载力和变形的失效概率极小。网壳中拉索强度是影响结构稳定承载力的主要因素,大跨度网壳中拉索的影响相对减弱。拉索强度及弦杆内、外径对结构变形均产生一定影响。     

联方型双撑杆索穹顶考虑自重的预应力计算方法

为了改善传统索穹顶结构的受力性能,该文提出了一种联方型双撑杆索穹顶结构,该索穹顶的上弦节点与两根斜撑杆相连,稳定性好并且便于张拉施工。针对联方型双撑杆索穹顶的找力分析问题,根据节点平衡方程,推导出考虑结构自重时索穹顶的预应力计算公式;给出了不同参数下联方型双撑杆索穹顶的预应力计算表,分析了该结构的受力特性;比较了考虑结构自重和不考虑结构自重时索穹顶初始预应力的差别,并采用有限元迭代法对比验证了理论公式的准确性。分析结果表明:随着矢跨比和撑杆高度的增大,结构中所有构件的初始预应力将减小;在自重荷载下,内圈脊索内力降低,最外圈斜索和环索内力显著增加;采用该文提出的理论公式可快速准确的获得考虑结构自重时联方型双撑杆索穹顶的实际预应力分布,为工程设计提供参考。     

在役PC斜拉桥主梁湿接缝的破坏机制分析

预应力混凝土斜拉桥中,主梁的湿接缝往往是结构受力的薄弱部位。为揭示湿接缝的破坏机制,建立了天津永和大桥的施工阶段分析模型,计算了主跨合龙段与相邻预制节段之间的湿接缝的混凝土应力状态,分析了活载超载、拉索松弛及混凝土收缩徐变等多种因素对湿接缝混凝土应力的影响,同时也阐明了主跨合龙段的预应力钢筋、湿接缝的位置、湿接缝的施工质量等构造方面的固有缺陷。研究表明:长期超载运营是造成湿接缝破坏的最主要的因素,而运营期间拉索的松弛和混凝土的收缩徐变等因素是造成湿接缝破坏的不可忽略的原因。另外,湿接缝在桥跨中所处的位置、合龙段预应力钢筋的布置方式、新老混凝土结合面的处理方式及其普通钢筋配筋率等均是造成湿接缝破坏的内部因素。结合研究结果,从设计、施工、养护等层面上提出了相应的建议。     

带有纵向肋条斜拉索的风雨激振减振机理研究

基于滑移理论,推导耦合的水膜运动方程和斜拉索运动方程,得到了可用于分析任意横断面外形斜拉索的风雨激振理论模型;并建立带有两个纵向肋条的斜拉索外形,通过对方程组进行求解分析水膜形态、斜拉索升力及斜拉索振动响应之间的相互联系,探究其减振机理。结果表明:带有两个肋条的斜拉索虽不能抑制上水线的形成,但与圆形横断面斜拉索的相比,使上水线厚度变薄,并且阻碍水线沿斜拉索表面的周期性滑落,扰乱其与斜拉索振动的频率相关性,使得斜拉索升力周期性特性减弱,从而抑制斜拉索在横风向的大幅度振动,阻碍风雨激振现象的产生。     

多边形构型双边球形凸多面体解析计算方法

基于从平面单元到凸多面体空间单元拓扑映射的约束条件,以特征角点坐标作为变量,建立双边凸多面体约束方程组,求特征角点径长的变异系数的极小值,实现多边形构型凸多面体的球形优化,从而建立了一种可实现多边形构型双边球形凸多面体系列化构建的解析计算方法。将旋转对称性双边球形凸多面体对应的大矢跨比球冠应用于天线罩,具有以下显著优势:球形网壳结构具有良好的力学性能;由于多边形网格具有平面性,因此透波窗口便于做成薄膜单层形式,这是有利于天线罩取得良好电磁性能的因素。     

CFRP拉索预应力超高性能混凝土斜拉桥力学性能分析

为了探讨碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)和超高性能活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)在超大跨度斜拉桥中应用的可行性,以主跨1 008 m的大跨度钢主梁斜拉桥设计方案为例,采用拉索的等强度原则将原桥钢索替换成CFRP索,考虑截面刚度、截面应力和局部稳定等要求,将原桥钢主梁替换成RPC主梁,拟订了一座等跨度的CFRP拉索、RPC主梁斜拉桥方案。采用有限元法分别对两种方案结构的静力特性、动力特性、稳定性能以及抗风性能等进行了分析与比较。结果表明:从结构受力性能角度而言,采用超高性能混凝土主梁和CFRP拉索构成千米级跨度混凝土斜拉桥的结构体系是可行的。     

Virus Matryoshka: A Bacteriophage Particle—Guided Molecular Assembly Approach to a Monodisperse Model of the Immature Human Immunodeficiency Virus

Immature human immunodeficiency virus type 1 (HIV‐1) is approximately spherical, but is constructed from a hexagonal lattice of the Gag protein. As a hexagonal lattice is necessarily flat, the local symmetry cannot be maintained throughout the structure. This geometrical frustration presumably results in bending stress. In natural particles, the stress is relieved by incorporation of packing defects, but the magnitude of this stress and its significance for the particles is not known. In order to control this stress, we have now assembled the Gag protein on a quasi‐spherical template derived from bacteriophage P22. This template is monodisperse in size and electron‐transparent, enabling the use of cryo‐electron microscopy in structural studies. These templated assemblies are far less polydisperse than any previously described virus‐like particles (and, while constructed according to the same lattice as natural particles, contain almost no packing defects). This system gives us the ability to study the relationship between packing defects, curvature and elastic energy, and thermodynamic stability. As Gag is bound to the P22 template by single‐stranded DNA, treatment of the particles with DNase enabled us to determine the intrinsic radius of curvature of a Gag lattice, unconstrained by DNA or a template. We found that this intrinsic radius is far larger than that of a virion or P22‐templated particle. We conclude that Gag is under elastic strain in a particle; this has important implications for the kinetics of shell growth, the stability of the shell, and the type of defects it will assume as it grows.     

Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with triangular cells

The paper deals with a refined analytical model for the local buckling failure modes of composite anisogrid lattice cylindrical shells made of a regular system of triangular cells. Such structures are preliminarily designed with the aid of closed-form solutions specifying the minimum mass and the corresponding optimal design variables under a set of formulated constraint equations. These equations address the main failure mechanisms that can be typically experienced by the structure due to axial compressive loads, namely, the global buckling of the shell, the local buckling of helical ribs, and the material failure of helical ribs. However, the local buckling of helical ribs is normally based on a simplified and qualitative approach. Thus, the scope of the present work is to improve the prediction of this failure mode by means of a rather accurate modelling which accounts for the interaction of intersecting hoop and helical ribs, the influence of the number of hoop sections of the shell, and the effect of the prebuckling tensile force in hoop ribs. The proposed model - that has been verified with the aid of finite-element analysis - lastly suggests the possibility to improve the preliminary design solution with respect to the fully analytical approach.