大跨度单层混合型球面网壳非线性稳定性研究

本文采用大型通用有限元软件ANSYS对大跨度单层混合型球面网壳弹塑性稳定性进行研究,分析了初始缺陷、荷载不对称分布、支承条件及非线性对网壳稳定性的影响,并研究了初始缺陷对网壳动力稳定性的影响情况。

斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应分析

为分析斜入射地震波下单层球面网壳土-结构相互作用及其地震响应,采用等效节点力实现地震波输入,通过黏弹性人工边界处理无穷远辐射条件,分析了地震波类型、土体参数、入射角度等因素对单层球面网壳结构的土-结构相互作用及其地震响应影响。结果表明:单层球面网壳结构在地震波入射一侧出现翘起,网壳总体沿入射方向发生旋转,当P波斜入射时支座位移差最大达0.514 m,为网壳跨度的1/250。当P波斜入射时,软弱土情况下网壳顶点位移比中硬土和中软土大,顶点位移随入射角增大呈现先增大后减小的趋势;当SV波入射时,中软土情况下网壳顶点位移比中硬土和软弱土大,顶点位移随入射角增大而增大。斜入射地震波下,考虑土-结构相互作用后网壳顶点位移增幅最大达5.5倍,网壳外圈位移增幅大于网壳跨中增幅。

三维地震作用下某摩擦摆隔震单层球面网壳振动台试验研究

为研究三维地震作用下某摩擦摆(friction pendulum bearing, FPB)隔震网壳结构的抗震性能,以某跨度为30m的单层球面网壳结构作为原型结构,设计加工了1/10缩尺模型及其FPB系统。采用了5条具有不同特征的三向地震动记录作为动力输入,开展了隔震与非隔震网壳结构模型的振动台试验研究,对使用FPB前后网壳结构模型的自振特性和地震响应进行了对比分析。试验研究结果表明:隔震结构模型的基本自振频率较非隔震结构模型降低了80%;在施加地震波时,可清晰地观察到在FPB启动后,安装于隔震层之上的网壳屋盖呈现整体刚体往复平动;与非隔震结构相比,隔震网壳结构模型的水平双向地震响应有大幅度降低;使用FPB对竖向地震响应也具有一定的控制效果;经过润滑的FPB可提供优良的复位能力。

大跨度单层球面网壳的损伤模型及强震失效

为对大跨度单层球面网壳在强震下的失效进行系统的分析,采用考虑材料损伤累积影响的全过程分析方法.考察了大跨度单层球面网壳在强震下失效时刻的多项响应指标随矢跨比、跨度、屋面质量等参数变化的规律,分析了失效极限荷载受这些参数变化的影响,同时讨论了考虑初始几何缺陷对结构失效特征的影响.通过分析发现,单层球面网壳在强震下基本属于动力强度破坏范畴,基于这些强度破坏算例失效时刻的特征响应,分别建立了理想网壳和缺陷网壳的强震损伤模型,可以表征结构在动力荷载下的损伤程度并判定强度破坏极限荷载.

泰姆科节点刚度对单层球面网壳稳定性能的影响

为研究泰姆科节点剪切刚度对铝合金单层球面网壳稳定承载力的影响,建立了单层球面网壳多尺度分析模型,结果表明泰姆科节点单层球面网壳承载力随跨度的增大而减小,随矢跨比的增大而增大。当网壳达到稳定极限承载力时泰姆科节点发生弯曲变形的同时伴随着剪切变形。通过对比单层球面网壳多尺度模型和弹簧单元模型的双重非线性稳定分析结果,发现节点剪切变形对结构承载力的降低程度随网壳跨度及矢跨比的增大而减小。最后,提出了一种可综合考虑泰姆科节点弯曲变形和剪切变形的节点“组合模型”,并验证了该模型能精准地反映泰姆科节点的力学性能。

水平行波效应下周边支承大跨度单层球面网壳的地震反应

如何考虑多点输入对大跨度空间结构的地震反应影响是当前空间结构研究领域中需要迫切解决的重要课题之一.本文以100m跨度的周边支承单层球面网壳为研究对象,考察了在水平行波效应作用下球面网壳的地震反应.计算分析表明,当波传播与振动方向一致时,行波效应使球面网壳的地震反应增加;而当波传播与振动方向垂直时,网壳的地震反应则随着行波效应的考虑而降低;行波效应的考虑使得下部结构的地震内力有大幅度的提高,如柱顶圈梁弯矩与柱剪力的最大值约增大了两倍左右.比较一致输入,下部结构内力的增大主要是由拟静力作用而引起的.结合以上的结果,本文提出了考虑多点输入影响的工程计算方法.

上海滴水湖皇冠假日酒店单层球面网壳在累积损伤及初始缺陷影响下的地震响应分析

上海滴水湖皇冠假日酒店球形大堂区采用单层球面网壳结构,为了解单层网壳在强震作用下的地震响应,本文应用Xue-Wierzbicki钢材损伤准则并考虑初始缺陷,建立全跨活荷载及半跨活荷载的单层网壳有限元模型,分析多组三维地震动下多个模型的响应,研究单层球面网壳在不同峰值地震动作用下的损伤发展程度及破坏模式,得到如下结论:罕遇地震作用下,网壳各杆件均处于弹性状态,结构抗震性能满足要求;当地震波峰值加速度较大时,网壳出现整体破坏情况,且不同地震波作用下破坏模式不同;当网壳杆件应力处于弹性或者强化段时,活荷载加载方式不同对其地震响应的影响可以忽略,当网壳部分杆件进入软化段、产生了不可恢复的塑性变形时,不同活荷载加载方式下顶部中心点竖向位移产生明显差异。

具有随机几何缺陷的大跨度单层球面网壳稳定性分析

网壳结构的稳定性是单层网壳结构设计中的关键问题。采用改进随机缺陷法对一大跨度K8型单层球面网壳进行随机缺陷稳定性分析,并研究非线性(几何非线性、材料非线性)、缺陷最大值等因素对单层网壳承载能力和临界荷载分布规律及其统计参数的影响。结果表明,单层球面网壳的临界荷载对曲面形状的安装偏差非常敏感,初始几何缺陷的影响非常大。缺陷最大值的增大将会使样本的最大值、最小值、均值及设计临界荷载显著下降,缺陷最大值对样本均方差的影响较复杂。材料非线性对大跨度单层球面网壳极限承载力的影响比较显著和复杂,对同一样本的影响有规律可循,但在不同样本之间没有必然的联系,在单层网壳结构设计中进行弹塑性稳定性分析是非常必要的。

基于抗震韧性指标的单层球面网壳施工期抗倒塌性能评价与优化

为评价施工期未合拢、非完整的单层球面网壳结构抗倒塌性能,本文提出了考虑施工全过程的网壳结构安全功能曲线,建立了基于抗震韧性指标的网壳施工期抗倒塌性能评价方法,并以跨度40m的K8型单层球面网壳结构为例,开展了不同施工方案下结构的抗倒塌性能评价与优化分析.分析结果表明:不同施工阶段下非完整单层球面网壳抗倒塌性能不同,非完整网壳抗倒塌性能评价须考虑施工全过程的影响.通过计算网壳施工全过程的抗震韧性指标,有效判别了网壳抗倒塌性能的最不利施工阶段为第14施工步骤.通过对韧性指标较低的施工步进行拼装方案优化,优化后最不利施工阶段的损伤杆件数量减少了29.32%,韧性值提高了18.12%,有效提高了网壳施工全过程的抗倒塌性能.

大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能影响因素分析

为分析大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能的影响因素,通过Keiwitt‑6(K6)型球面网壳缩尺模型的连续倒塌试验,验证有限元模型的正确性。在此基础上,分析了传力路径和初始缺陷对大跨度单层球面网壳抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明,两个传力路径依次失效后,网壳主要通过压杆机制抵抗连续倒塌,其破坏模式为局部倒塌。有限元分析结果与试验结果吻合较好。传力路径与初始缺陷对网壳抗连续倒塌性能影响显著:传力路径依次失效时,结构的抗连续倒塌性能可以得到充分发挥,传力路径同时失效时,结构的动力响应明显增大;随着初始几何缺陷大小的增加,网壳的抗连续倒塌性能降低;当初始缺陷大小相同时,结构并非均是在第1阶屈曲模态下率先发生连续倒塌。建议考虑传力路径的影响,取前10阶屈曲模态进行网壳的连续倒塌分析。

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。

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。

地震作用下单层球面网壳结构的动力稳定性

本文以具有实际工程意义的40m跨度K8型单层球面网壳结构为研究对象,研究了其在地震作用下的动力失稳特点,提出了动力稳定性判别方法。系统分析了各种因素对网壳结构动力稳定性临界荷载的影响,其中包括:水平地震作用、竖向地震作用和三向地震作用的影响;考虑材料弹塑性的影响;不同地震输入的影响;初始几何缺陷的影响;不同矢跨比和不同杆件截面的影响。

考虑杆件初弯曲的单层球面网壳稳定性能

基于通用有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序,针对是否考虑杆件初弯曲的单层球面网壳结构进行对比分析.采用随机缺陷模态法进行了考虑杆件初弯曲的2800余例K8型单层球面网壳的弹塑性荷载-位移全过程分析,掌握了弯曲角度、幅值随机变量对网壳稳定性能的影响规律.论证了一致缺陷模态法和特征缺陷模态法计算杆件初弯曲对网壳极限承载力影响的适用性.提出了适用于计算考虑杆件初弯曲影响的网壳极限承载力修正的一致缺陷模态法.采用修正的一致缺陷模态法进行了300余例考虑杆件初弯曲的K8型单层球面网壳的弹塑性全过程分析.结果显示:采用修正的一致缺陷模态法可以计算考虑杆件初弯曲的单层球面网壳极限承载力的最小值.杆件初弯曲能够降低单层球面网壳的极限承载力,并改变其屈曲模态和塑性发展分布.当最大允许初弯曲为杆件长度的1/1 000时,网壳极限承载力最大下降5%以上;当最大允许初弯曲为杆件长度的2/1 000时,网壳极限承载力最大下降10%以上.

冲击荷载下单层球面网壳动力响应分析与试验研究

为分析带下部支承结构的Kiewitt-6型单层球面网壳在冲击荷载下动力响应,在ANSYS/LS-DYNA中建立钢管柱支承的单层球面网壳数值分析模型,据冲击响应特点,总结四种响应模式,研究冲击能量、冲击位置、环梁刚度对上部网壳动力响应影响。进行钢管柱支承的单层球壳模型冲击试验,测量、分析结构的动应力、动位移及加速度,研究冲击柱破坏模式。结果表明,四种响应模式以冲击柱破坏模式(轻微损伤、局部凹陷、压弯破坏、剪切破坏)为典型特征;除响应模式4,网壳动力响应随冲击能量增大而增大;柱中为最不利冲击位置;环梁刚度增大,网壳动力响应减小;有限元分析结果与实测结果吻合较好,验证数值计算方法的正确性。

半刚性节点单层球面网壳结构的抗震性能及其设计方法

由单根或多根螺栓现场拼装而成的半刚性节点单层球面网壳逐渐受到工程设计人员及一些学者的关注。这种节点具有一定的弯曲刚度和扭转刚度,是介于刚接和铰接节点之间的一种半刚性节点。利用文献中的弯矩-转角曲线对凯威特型半刚性螺栓球节点单层球面网壳的抗震性能进行了较为系统的分析,包括其自振特性及杆件地震内力系数随矢跨比、跨度、屋面质量、杆件截面、地震动、节点弯曲刚度等参数的变化规律;通过大规模参数分析,采用基于包络响应的地震内力系数统计方法,给出凯威特型半刚性节点单层球面网壳考虑杆件弯矩影响的地震内力系数取值;提出基于地震内力调整系数的凯威特型半刚性节点单层球面网壳的实用抗震设计方法,可为工程设计提供参考。

单层球面网壳在强震作用下的损伤模型

为获得单层球面网壳强震损伤模型,采用ABAQUS软件并自主开发了考虑损伤累积影响的材料子程序,对跨度40m单层球面网壳在强震作用下的全过程动力响应进行了参数研究.统计结构的多项宏、微观响应,建立了理想单层球壳在强震作用下的损伤模型;同时,对考虑初始缺陷的单层球面网壳也进行了分析,比较了是否考虑初始缺陷对结构抗震性能及失效机理的影响,在此基础上建立了考虑初始缺陷单层球面网壳的损伤模型,提出了强震下结构的强度破坏判别准则.

应用摩擦摆支座的单层球面网壳地震响应分析

为研究摩擦摆支座对网壳结构抗震性能的影响,本文分析摩擦摆支座的隔振机理,应用LS-DYNA有限元软件对摩擦摆支座进行实体建模,并验证该种建模方法的正确性。将静力作用下的铰支座和摩擦摆支座单层球面网壳的力学性能进行对比,结果表明应用摩擦摆支座使网壳结构的初始变形增大;在此基础上,对应用摩擦摆支座的单层球面网壳施加不同强度的地震动,从杆件轴力、节点加速度和节点相对位移三个方面对结构的动力响应特性进行分析,并讨论摩擦摆支座在单层球面网壳结构中的有效性和适应性,得到随着地震动强度的增加,轴力振动幅值减小的杆件数目及加速度和相对位移减小的节点数目也是增加的结论。最后,通过对最外环杆件截面加强,对应用摩擦摆支座的单层球面网壳同样进行地震响应分析,讨论外环杆件加强对结构抗震性能的影响。

周围双层中部单层球面网壳的稳定性分析

介绍了一类特殊的局部双层网壳形式——周围双层中部单层球面网壳的构成、特点与形式 .主要以凯威特型球壳为研究对象 ,分析了单层区域大小对网壳稳定行为特征的影响 ,单层区自身稳定特性 ,开洞双层屈曲特征 ,不同解析模型球壳屈曲载荷的变化规律 ,以及支承刚度对屈曲载荷的影响 .

单层球面网壳在地震下的响应特性与失效机理

针对单层球面网壳在地震作用下的响应进行了大量算例分析,探讨了结构失效特点,从宏观和微观综合多项指标给出结构强震失效的判别方法。在频域响应分析的基础上阐述了网壳结构动力作用的特点,总结了单层球面网壳的地震下的破坏特征及失效机理。