K6型单层网壳极限承载力对杆件失效的灵敏度分析

基于Frangopol提出的冗余度计算方法和考虑双重非线性的全过程分析方法,应用有限元软件ANSYS对一个K6型单层网壳进行了极限承载力灵敏度分析,得出了该类型单层网壳的极限承载力对于杆件失效的灵敏度值。在此基础上,提出了一种防止网壳连续倒塌的有效措施,即加强具有低冗余度（高灵敏度）的杆件以提高其冗余度,从而降低整个单层网壳结构连续倒塌的概率。     

Levy型劲性支撑穹顶静力性能试验研究

为研究Levy型劲性支撑穹顶结构的静力性能,以跨度6m的Levy型劲性支撑穹顶结构实际模型为研究对象,通过试验研究了其在初始预应力、满跨荷载和半跨荷载作用下的静力性能,获得了Levy型劲性支撑穹顶结构模型中各杆件内力和节点位移随外荷载增加变化规律。研究结果表明：在满跨荷载作用下,随着荷载的增大,环杆、撑杆和斜杆轴力都逐渐增大,脊索索力逐渐减小;在半跨荷载作用下,随着荷载的增大,结构内部杆件内力变化平稳,结构受荷一侧各杆件内力变化规律与全跨荷载作用下变化规律基本相同,但各杆件内力的变化值较全跨荷载作用大,结构对非对称荷载比较敏感,结构非受荷一侧内力变化比较复杂,脊索索力减小,撑杆和环索内力减小,内、中斜杆内力减小,外斜杆内力基本不变,半跨荷载引起的节点竖向位移比满跨荷载引起的竖向位移大,但整体结构位移均较小,竖向刚度较大,表明用劲性钢拉杆代替索穹顶下层拉索构件是可行的。研究结果验证了劲性支撑穹顶结构合理性与可行性,可为工程应用提供参考。     

全跨和半跨荷载组合下两铰抛物线钢拱平面内承载力计算方法对比

全跨和半跨荷载组合作用下钢拱结构内力分布会随荷载比例发生较大变化。现有钢拱结构平面内稳定承载力计算式多是针对各单一加载模式进行分析得到的,缺乏对其在全跨和半跨组合荷载下适用性的充分考虑。针对此不足,以两铰抛物线钢拱结构为研究对象,考虑荷载组合比例、矢跨比、截面等不同参数的影响,对比分析了现行钢拱结构技术规程方法、基于完善拱模型的有限元方法和基于一致缺陷拱模型的有限元方法等多种方法的承载力计算结果。分析结果表明:当全跨荷载占较高比重时,按规程方法进行钢拱结构承载力设计会较为保守;而当半跨荷载占较高比重时,按规程方法进行钢拱结构承载力设计则会偏于不安全。     

单层K6型球面胶合木网壳结构受力性能试验研究

为分析不同节点刚度、矢跨比对单层K6型木网壳结构受力性能的影响,设计了4个跨度为4m,矢跨比分别为1/10、1/5,连接节点分别为单列、双列螺栓的缩尺比1∶10网壳试件,进行了全跨、半跨以及破坏荷载作用下的试验。研究结果表明：在不同加载阶段,试件节点位移基本呈顶点位移最大,1环其次,2环最小的趋势,矢跨比对试件的初始刚度影响较大;半跨加载阶段,矢跨比对试件刚度的影响比全跨加载阶段更明显;破坏荷载作用阶段,矢跨比对提高试件跨中挠度达到l/400（l为跨度）时的加载值的影响更大,节点刚度对提高杆件出现第2条裂缝时的加载值的影响更大;矢跨比越大,试件由于节点处应力集中而易发生开裂,节点刚度提高有利于抑制第2条裂缝的发生,并减缓试件刚度的退化;矢跨比大的试件易发生承载力破坏,矢跨比较小的试件易发生失稳破坏。     

非对称荷载对大跨度非规则单层网壳结构性能的影响

以某大跨度非规则单层网壳为研究背景,应用ANSYS通用有限元分析软件对网壳结构进行了建模并重点模拟了风荷载、雪荷载、温度效应等多种非对称荷载作用,进行了静力分析、特征值屈曲分析以及非线性稳定分析。得到了网壳结构在15种典型荷载组合下的内力、位移结果,分析了非对称荷载对网壳结构静力性能的影响;考虑了几何非线性、材料非线性、初始缺陷,得到了网壳结构在非对称荷载作用下的稳定系数,分析了非对称荷载对网壳结构稳定性能的影响。强调指出非对称荷载作用在大跨度单层网壳结构设计中的重要性,为大跨度非规则单层网壳设计提供参考。     

基于构形易损性理论的温室单层球面网壳极限承载力分析

温室单层球面网壳的稳定性在设计中起着控制作用,尤其是非对称(半跨均匀)荷载、初始几何缺陷(节点偏差)、矢跨比和拉索预应力等因素对温室单层球面网壳稳定性的影响还有待深入研究。基于构形易损性理论,提出了判断参数对极限承载力影响的指标,即节点构形度的差异系数。利用ANSYS软件对矢跨比分别为1/3、1/5和1/7的K6、K8型温室单层球面网壳进行了整体刚度矩阵的提取,并通过MATLAB自编程序计算得到节点构形度的差异系数,定性分析了各参数对极限承载力的影响与节点构形度的差异系数的关系。研究表明:判定初始几何缺陷和不对称荷载对温室单层网壳结构极限承载力影响的准则是节点构形度的差异系数越小,结构的极限承载力越大;通过对K6型和K8型温室单层球面网壳的稳定承载力进行计算,验证了提出的判别准则的适用性与合理性。提出的判别准则可推广至其他类型的大跨度温室空间结构中。     

单点连续冲击荷载下单层球面网壳结构失效模式研究

为研究单点连续冲击荷载作用下单层球面网壳结构的失效模式,应用通用有限元软件ANSYS LS-DYNA建立了40m跨度,四种不同矢跨比的K8型单层球面网壳结构有限元模型。通过分析单层球面网壳结构在单点连续冲击荷载作用下失效全过程的冲击荷载、能量转化和杆件变形特点,总结归纳出单层球面网壳结构在单点连续冲击荷载作用下的五种失效模式:网壳局部凹陷、网壳局部凹陷时杆件剪切破坏、网壳整体塌陷、网壳整体塌陷时杆件剪切破坏、杆件剪切破坏。对五种失效模式进行了全过程研究分析,明确了单层球面网壳结构在单点连续冲击全过程中肋杆、环杆、斜杆的破坏形式和能量传递与转化特点。     

屋面系统对单层球面网壳稳定性及地震响应的影响研究

单层球面网壳的静力稳定性及抗震性能已经取得较为系统的研究成果,但在传统的研究方法中,学者们只考虑结构部分,忽略了屋面板、吊顶、隔墙等非结构构件的影响;其中,屋面系统作为一类非结构构件,其平面刚度较大、在动力荷载下的阻尼也较大的特点会在一定程度上影响结构的受力特性。因此,选取考虑屋面系统的单层球面网壳作为研究对象,开展屋面系统对于单层球面网壳弹塑性稳定性及抗震性能的影响研究。采用有限元分析软件ABAQUS分别建立带屋面系统单层球面网壳和传统单层球壳的数值模型;通过弧长法分别对两种模型进行均布荷载作用下的非线性数值模拟,对比分析屋面系统对单层球面网壳弹塑性稳定承载力的影响;对考虑屋面系统的网壳结构进行不同地震荷载作用下的时程动力分析,采用基于响应的分析方法,考察屋面系统对于网壳结构抗震性能的影响,得到屋面系统会显著提高网壳整体刚度、增强结构抗震能力的结论;本研究可为以后网壳结构的理论研究及工程实践提供一定的参考。     

单层球面网壳结构的风振及其参数分析

大跨度网壳结构日趋多样化、大型化、复杂化．风荷载常常起主要甚至决定性作用，风振动力响应特性研究日益受到关注与重视．目前，网壳结构的抗风设计参数取值方法尚不完善，大多沿用高层或高耸结构设计规范．本文讨论了网壳结构风振响应的时程分析计算方法，并利用节点位移风振系数、单元内力风振系数等概念来衡量网壳结构风振特性．对一类K6—6型单层球面网壳结构进行了包括几何参数、结构参数、阻尼比参数、边界约束参数、平均风速参数等多种工况的风振特性参数影响分析，得出该类单层球面网壳结构在上述各种参数工况下风振系数的变化规律，为单层网壳结构抗风设计、防灾分析提供一定参考．     

单层球面网壳的静力稳定性分析

利用有限元程序ANSYS对某单层球面网壳进行了静力稳定性分析,得出了其在集中力、半跨均布荷载和全跨均布荷载下屈曲的全过程曲线,并进行了分析,分析结果表明:网壳在集中力作用下屈曲的变形最小;不对称荷载作用对网壳稳定承载力影响较大。     

半刚性节点对单层球面网壳的影响

单层球面网壳作为网壳结构的一种常见形式,对研究网壳结构有着重要意义。随着计算机的普遍应用,模拟并研究节点半刚性已经成为可能。典型算例结果表明,NIDA程序可以准确考虑各种缺陷和设计参数对钢结构稳定承载力的影响。文章主要利用NIDA软件,在模拟节点不同刚度的情况下,研究半刚性节点对于单层球面网壳位移,内力的影响,对刚度进行静力分析。最后对单层网壳的稳定性进行部分深入研究,全面探究半刚性节点对单层球面网壳性能的影响。从而揭示一阶效应在网壳研究中的弊端,而应该采用二阶效应的研究方法,为今后单层球面网壳的进一步研究提供参考。     

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。     

肋环型球面空腹网壳结构的静力性能分析

空腹网壳是由平板型空腹网架演化而来的新型曲面空间网格结构,形式多样,为了解其中肋环型球面空腹网壳结构在竖向静载作用下的力学性能.本文采用空间梁单元,在边界上、下弦节点均约束线位移时共计算了22个算例,讨论了矢跨比、网壳厚度、网格圈数等参数对其变形和内力的影响.分析表明.肋环型球面空腹网壳可看作是两个具有相同曲率中心的单层网壳通过竖腹杆连接而共同工作,其矢跨比不官小于1/6,网壳厚度和网格圈数对结构力学性能的影响较小.本文还进行了这种结构与单层网壳的对比分析,表明其具有良好的技术经济指标.     

K6型铝合金板式节点网壳稳定承载力设计方法

凯威特K6型是铝合金板式节点网壳最为常见的形式,而板式节点是一种典型的半刚性节点,其节点刚度对网壳整体稳定承载力的影响不可忽略。通过ANSYS有限元软件建立了K6型铝合金板式节点单层球面网壳数值模型,采用非线性弹簧单元COMBINE 39引入节点半刚性的影响,并基于该数值模型对网壳的弹塑性整体稳定承载力进行了参数分析。分析结果显示,网壳整体稳定承载力随矢跨比、环数、节点刚度的增大而提高,随跨厚比、半跨活荷载系数、初始几何缺陷幅值的增大和材料非线性的引入而降低。通过对8000多个数值模型的分析结果进行统计回归,得到了K6型铝合金板式节点网壳弹塑性整体稳定承载力计算式,该计算式能较准确地预估无缺陷网壳的稳定承载力。     

改进悬臂型张弦梁结构理论分析及试验研究

借鉴张弦梁结构(BSS)的构成原理,提出一种改进悬臂型张弦梁结构(CSS),并进行了理论分析和试验研究。通过向上、向下荷载作用下的结构静力和几何非线性分析,得知这种结构以承受轴力为主,并具有良好的稳定性和抵抗不对称荷载的能力。为验证这种新型结构的力学性能,设计了一个直径为54m的试验模型,并设计了支承部件、可调索杆、连接节点的制作方案,进而全面考察了索的初始预应力分布以及模型在满跨、半跨加载两种荷载工况下的静力响应。理论与试验研究结果表明,在这两种荷载工况下,模型的静力响应与理论分析结果基本吻合,改进悬臂型张弦梁结构(CSS)受力合理,是一种适于大跨悬臂屋盖的新型结构形式。     

Elasto-plastic instability of single-layer reticulated shells under dynamic actions

This paper addresses the issue on dynamic collapse mechanism of single-layer reticulated shells subjected to harmonic load, sudden load and seismic load. The method for failure mechanism has reviewed the relationship between the response of the reticulated shell and the peak acceleration of dynamic action. Besides, the steel damage accumulation is considered in the method by compiling a user subroutine based on the computing program ABAQUS. An example is introduced to describe dynamic instability collapse resulting from geometric nonlinearity of the shell and the other example is presented to describe strength failure resulting from excessive development of plastic deformation, for it is discovered that the structure is not only to be prone to instability collapse in dynamic action. According to the responses of the single-layer reticulated shell under dynamic loads, this study discusses the relationship between the failure model and the corresponding dynamic load parameters. Then, the method for distinguishing failure modes is proposed based on the fuzzy synthetic evaluation theory and the structural responses of sufficient samples at the failure state. The technique feasible to be used to distinguish different failure modes of single-layer reticulated shells under different dynamic loads is validated.     

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。     

大跨单层球面网壳的风振系数及其参数分析

本文针对某工程的单层网壳结构方案,采用其风洞试验数据,通过有限元方法在时域内进行三维风振分析,获得了钢网壳24个风向角下的竖向风振系数值,并通过对试验数据和计算结果的分析,确定了风荷载的不利风向角。同时考虑到钢网壳在风荷载作用下,不仅产生竖向风振,并且存在水平向风振,计算了不利风向角下的顺风向和横风向风振系数。进一步进行了该网壳结构在各种参数工况下风振系数的参数影响分析。结果表明:风振系数随风向角变化敏感,在抗风设计时应该考虑到这一规律;斜杆的使用大大减小了单层球面网壳的风振系数值;边界约束条件对风振系数的影响不大;结构阻尼比对竖向风振影响比水平风振响应更明显,阻尼比增大,风振系数有一定程度的减小。这些结论可为单层网壳结构抗风设计、防灾分析提供借鉴。     

单层球面网壳的弹塑性稳定性

为了解和掌握单层球面网壳在静力荷载作用下的弹塑性稳定性能,采用有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对典型单层球面网壳结构稳定性能进行对比分析,初步了解了球面网壳弹性与弹塑性稳定性能的主要差异。在此基础上进行了1000余例K8型单层球面网壳弹性、弹塑性全过程分析,同时考虑竖向均布荷载的不对称分布、初始几何缺陷等因素对球面网壳稳定性能的影响,掌握了以上因素变化对球面网壳弹塑性稳定性能的影响规律,并将其定量化。最后,通过对弹性、弹塑性稳定极限承载力的统计分析,提出适用于K8、K6型球面网壳的塑性折减系数,用以表示材料非线性对极限承载力的影响。这些成果的获得为进一步开展网壳结构的弹塑性稳定性能研究以及工程实践提供了理论依据和技术参考。     

铝合金板式节点网壳稳定承载力试验研究

为研究铝合金板式节点刚度对单层球面网壳整体稳定性能的影响,制作一个跨度为8m、矢高为0.5m的K6型网壳模型,对网壳顶点施加4次单向循环荷载。试验结果表明,加载初期网壳表现出超刚性特征,即其刚度大于刚接节点网壳刚度;而后的节点螺栓滑移变形会降低网壳刚度,螺栓滑移引起的网壳变形很大且不可恢复。网壳的失稳属于整体跳跃失稳,但网壳屈曲后可继续承载,且荷载可进一步增大。最后一次单向循环加载时网壳因顶点杆件下翼缘的拉裂而破坏。另外,随着循环荷载逐级增大,网壳再加载初始刚度都有一定弱化。采用ANSYS有限元软件建立网壳分析模型,采用BEAM 188单元和COMBINE 39单元模拟考虑节点半刚性的铝合金板式节点网壳杆件,节点弯矩-转角关系曲线采用四折线模型,有限元分析结果与试验结果吻合较好。