基于节点构形度的自由曲面网壳结构形态优化研究

为获得形式自由且受力性能合理的自由曲面单层网壳结构形态,以单位力作用下的位移响应作为结构连接性能的衡量参数,同时为保证结构曲面的光顺性引入NURBS技术,基于考虑荷载作用的结构节点构形度评价指标,提出了相应的自由曲面结构形态优化方法。将结构控制点的坐标作为优化变量,节点构形度最小值的最大化作为优化目标,综合结构总用钢量、最大节点位移和构件长细比等约束条件,采用遗传算法对结构的曲面形态进行优化。结果表明,节点构形度可以准确反映节点的连接性能,采用遗传优化算法优化结构的曲面形态,可获得杆件以受轴压为主的结构形态,受力模式得到有效改善,受力合理,保证了结构极限承载力及其安全性。

杆系结构节点构形度参数分析

结构易损性为结构在突发事件作用下容易受到伤害或损伤的程度,它反映了特定条件下结构的脆弱性和结构对意外损伤的承受能力。在构形易损性理论中,节点构形度是进行整个杆系结构拓扑关系易损性分析的基础。首先,给出了节点相关刚度矩阵、节点主刚度系数和节点构形度的概念;然后,以经典双杆结构体系为例,通过对比节点构形度和荷载作用下节点位移随杆件夹角的变化规律,从刚度角度揭示了节点构形度代表结构在此节点处承受任意方向荷载的能力。

基于节点构形度的单层柱面网壳稳定优化设计

稳定是单层柱面网壳结构分析与设计中的关键因素。从节点构形度的视角,考虑外在因素中与稳定问题直接相关的核心部分,定义了能全面反映结构静力稳定特性的节点构形度相对变化梯度(gra_r),其最小值(gra_r_(min))与稳定承载力直接相关。gra_r能定量地衡量结构丧失稳定的趋势,揭示网壳结构失稳机理。在此基础上,进一步提出了单层柱面网壳稳定优化设计方法。稳定优化模型以gra_rmin最大化为优化目标,离散的杆件截面为优化变量,考虑规范规定的各项设计约束条件,在给定用钢量的前提下,提高结构稳定承载力。两个实际工程算例验证了单层柱面网壳稳定优化设计方法的有效性。

基于节点构形度均衡化的单层网壳结构优化设计研究

为实现网壳结构节点连接能力的均衡分布,改善结构性能,提升其极限承载力。基于构形易损性理论建立了衡量结构节点构形度差异性的评价指标,用以评价结构节点连接性能的差异性。在此基础上,将构件截面尺寸作为优化变量,以节点构形度差异系数最小化为优化目标,并考虑结构位移、构件长细比、强度及稳定性等约束条件,采用粒子群算法优化结构构件的截面尺寸。结果表明,节点构形度差异系数能准确反映网壳节点连接性能的差异性,通过粒子群算法优化结构构件的截面尺寸,可实现结构节点连接性能的均衡分布,改善结构在地震作用下的倒塌模式,有效提升了结构的整体性能。

单层球面网壳基于节点构形度的刚度均匀性判定准则

为研究单层网壳结构的失效机理,以3个单层球壳缩尺模型为例,通过对节点构形度进行分析研究提出,节点构形度的对数标准差ST(lg(q))可作为衡量单层球壳结构整体刚度均匀性的判定参数。通过与试验结果对比可知,节点构形度的对数标准差ST(lg(q))与结构的倒塌破坏特征及极限状态时输入的峰值加速度密切相关。对跨度为40 m,矢跨比分别为1/3、1/5、1/7的4种杆件截面的凯威特K6型单层球壳结构进行了参数分析(包括节点构形度分析、静力稳定分析和地震作用下的动力时程分析)。研究结果表明,K6型单层球壳结构在杆件质量相近的条件下,节点构形度的对数标准差ST(lg(q))越小,结构的稳定承载力和极限状态时输入的峰值加速度越高,且地震作用下结构的延性越好,强度破坏特征越明显。通过统计分析建立了适用于跨度为40 m的K6型单层球壳结构刚度均匀性判定准则,即当节点构形度的对数标准差ST(lg(q))不大于0.4时,结构整体刚度均匀,相应的结构稳定承载能力和极限状态时输入的APG相对较高,且地震作用下的延性较大。

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。