Experimental study of wind loads on cylindrical reticulated shells

The cylindrical reticulated shell structures without side walls, which are normally arranged in pairs, are usually used as dry-coal sheds in a thermal power plant. The wind loads of these shells do not exist in standards or codes. Therefore, this study investigates the mean and fluctuating wind loads on a cylindrical reticulated shell with a rise-to-span ratio of 0.39 through a series of wind tunnel tests. The characteristics of the wind pressures on the upper and lower surfaces and the net pressures are presented. The results show that the wind direction and another shell structure significantly affect the wind loads on the principal shell. The most unfavorable wind direction is around 30~, whereas the effects of the wind field and the height of the coal stack are small. The surfaces of the shells are divided into nine blocks, and the block mean and fluctuating （rms） pressure coefficients suitable for engineering applications are given as references for wind load codes.

单层柱面网壳弹塑性稳定性能研究

目前对于球面网壳的弹塑性稳定性能研究成果较为丰富,而对柱面网壳的弹塑性稳定性能以及稳定性验算方法中"安全系数"的取值问题还缺乏系统研究。为此,基于有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序,有计划地针对600余例单层柱面网壳结构进行双重非线性全过程分析。系统地考察了极限承载力、屈曲模态、塑性发展分布等特征响应,总结了初始几何缺陷和荷载不对称分布等因素对网壳结构稳定性能的影响规律。定义并统计了代表材料非线性影响的"塑性折减系数",基于参数分析结果及概率统计方法对单层柱面网壳的"安全系数"取值进行重新核定,结果显示,柱面网壳塑性折减系数取值范围为0.362～0.578,两纵边柱面网壳安全系数取3.4,四边支承柱面网壳取4.5,两端支承柱面网壳取5.4。

考虑材料损伤累积单层柱面网壳在强震下的失效研究

采用考虑钢材损伤累积的本构模型,对跨度15米单层柱面网壳在强震下的失效进行了系统的研究。在大量算例的基础上,考察了屋面质量、矢跨比、初始几何缺陷和长宽比等结构几何参数的变化对柱面网壳失效特征和失效极限荷载的影响,探讨了结构的强震失效模式及失效机理。对大量强度破坏算例在失效时刻的特征响应进行统计分析,建立了考虑材料损伤累积的单层柱面网壳动力损伤模型,可对结构在不同荷载强度下的损伤程度进行评估;提出了单层柱面网壳强震失效判别准则,用于判别单层柱面网壳在强震下的失效极限荷载。

强震下单层柱面网壳损伤及失效机理研究

基于结构损伤理论,对单层柱面网壳在强震下的失效机理进行研究。单层柱面网壳在强震下不仅会发生动力失稳,也可能由于过度塑性发展导致动力强度破坏的模式。对于动力强度失效的研究,应当在分析中考虑材料损伤累积以及断裂效应的影响。为在有限元分析中包含这一影响因素,编制了基于通用有限元软件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。应用其对单层柱面网壳在强震下的响应进行参数研究,并与基于理想弹塑性材料时的响应对比,讨论考虑材料损伤对网壳失效特征的影响。将单层柱面网壳在强震下失效时刻的多项特征响应进行统计分析,拟合了能够表征网壳损伤程度的损伤模型,建立单层柱面网壳在强震下的失效判别准则。针对实际工程抗震设计中采用损伤累积本构模型计算的困难,提出网壳结构失效极限的简化判别方法。

灾害风荷载下温室单层柱面网壳整体动力倒塌分析

该文针对大跨轻质单层柱面网壳在灾害强风天气下存在动力倒塌破坏的可能性,利用显式有限元分析软件ANSYS/S-DYNA及自编前后处理程序,综合考虑了几何非线性、材料非线性和接触非线性,建立了灾害风荷载下温室单层柱面网壳结构整体动力倒塌的数值分析模型,考察了单层柱面网壳的动力倒塌发展全过程。以节点位移和变形形态等几何特征响应对网壳结构进行了动力倒塌过程分析,将网壳结构倒塌过程依据其特性划分为轻度损伤阶段,倒塌形成阶段和整体倒塌阶段3个阶段;同时以杆件内力和截面塑性发展等力学特征响应对网壳结构进行了动力倒塌机理研究,指出网壳结构的风致动力倒塌原因是风压区压杆反复屈曲和拉杆依次失效相互作用的综合体现。对比分析考虑下部支承与不考虑下部支承单层柱面网壳的动力倒塌过程,结果表明,考虑下部支承柱时网壳结构动力倒塌对应的临界荷载系数发生了25%的明显降幅。该研究为温室网壳结构的抗风设计、工程应用和防灾评估提供了理论参考。

节点刚度对单层柱面网壳地震响应及内力的影响分析

论文首先采用壳单元Shell163建立了单层柱面网壳模型,同时利用壳单元模拟了焊接空心球节点,并通过计算验证了模拟方法的合理性。然后,通过调节空心球节点的厚度,考察了节点刚度变化对单层柱面网壳地震响应的影响,分析结果表明,在强震作用下节点刚度变化对网壳节点响应与杆件内力的影响均较大,建议在进行此类结构的动力分析时考虑节点刚度的影响。

基于LS-DYNA的大空间柱壳结构爆炸波压力场分析

基于ANSYS/LS-DYNA,在验证模型及参数选取正确及可靠的基础上,建立了大空间柱壳结构在爆炸作用下的冲击波压力场计算模型。引入本征正交分解(POD)法,解决了冲击波荷载的时空差异性和结构表面压力场分布问题,大大减少了大空间结构爆炸动力响应分析的计算量。对大空间柱壳结构在爆炸冲击荷载作用下的压力场进行了数值模拟计算与分析,研究了跨度和矢跨比等因素对结构压力场分布的影响。结果表明,计算模型适用于大空间柱壳结构在爆炸作用下的动力响应计算。

大跨度四边支承单层柱面网壳的稳定性能

为拓宽单层柱面网壳的应用跨度,以参数分析作为研究手段,利用通用有限元程序ANSYS以及自编的前后处理程序,针对波宽为20m四边支承柱面网壳开展400余例非线性全过程分析,考察屈曲模态、临界荷载、塑性发展分布等特征响应,总结长宽比、矢宽比、初始几何缺陷、荷载不对称分布等因素对网壳临界荷载的影响规律.研究结果显示:四边支承柱面网壳的直杆以受弯作用为主,壳面中部是结构的薄弱区域;当长宽比过大时,应通过增设加劲肋提高壳面刚度,加劲肋的间距应使得网壳长宽比保持在1.0为宜;柱面网壳对于初始几何缺陷较为敏感,当缺陷值达到波宽的1/300时,网壳的弹塑性临界荷载将降低30%以上;当荷载呈不对称分布且p/g=1.0时,网壳的临界荷载将降低到均布荷载作用情况下的86%～94%.

单层柱面网壳冲击试验研究

通过单层柱面网壳模型在冲击物作用下试验,研究单层柱面网壳在冲击作用下的动力响应和动力稳定性。利用动态应变仪和力、位移和加速度传感器,获取柱面网壳模型在冲击物作用下的冲击力、杆件应变、位移及加速度时程曲线。根据不同冲击力幅值与测点位移的对应关系,对网壳模型失效形式和破坏形态进行了动力稳定性分析并确定其稳定承载力。结果表明,实验测得的冲击荷载为三角脉冲荷载形式,持续作用的时间为15~35 ms,幅值和脉宽随冲击力增大而增大且与网壳结构的刚度性能有关。柱面网壳在冲击荷载作用下存在全局敏感性和局部敏感性杆件,模型具有较大的后屈曲抗冲击能力,在顶点垂直冲击下没有发生连续断裂。基于ANSYS/LS-DYNA建立了精细化试验模型,模拟单层柱面网壳的失效模式并与试验结果对比,验证了数值模拟方法的有效性。

单层倒悬链型柱面网壳的非线性稳定性研究

针对拱准线形式为悬链线的单层倒悬链型柱面网壳结构,首先对比分析了其常见的3种网格形式的稳定性能,确定了一种合理的网格布置形式,然后与单层圆柱面网壳的稳定性作了比较,最后进行了大规模的参数分析,较全面系统地研究了单层倒悬链型柱面网壳的静力稳定性,包括长宽比、矢宽比、杆件截面尺寸、初始几何缺陷和荷载不对称分布各参数对结构极限荷载的影响.研究表明:常见网格形式的单层倒悬链型柱面网壳,以斜杆I型的整体稳定性能最好,且相比单层圆柱面网壳,其刚度和极限承载力都得到了较大的提高;长宽比、矢宽比对单层倒悬链型柱面网壳极限承载力影响显著并具有良好的规律性,结构横向加劲肋间距应小于横向宽度;网壳极限承载力与截面等效刚度呈线性关系;初始几何缺陷对结构影响较显著,当缺陷达到波宽的1/300时,网壳极限荷载最大降低达57%;结构对不对称荷载作用不敏感.

节点刚度对单层柱面网壳动力稳定性的影响

采用时程分析法研究了PGA(地震动峰值加速度)变化时,单层柱面网壳精细化模型节点刚度变化对结构动力稳定性的影响。研究中考虑了结构参数(矢跨比、长宽比等)的变化,通过改变节点壁厚实现节点刚度的变化,共建立了4组精细化模型。对比分析结果发现所有模型组得出的规律接近,即当PGA超过结构的失稳临界加速度值时,PGA越小节点刚度的增加对提高结构抗动力失稳的效果越明显,并且此规律受矢跨比、长宽比等结构参数变化的影响很小。

柱面网壳结构风致抖振响应研究

基于刚性模型风洞试验,在时域上对一柱面网壳结构进行风振响应计算,并细致分析了网壳结构在风荷载作用下的节点位移、单元应力、阵风响应因子和响应谱。结果表明,对于柱面网壳结构,受斜风作用时的工况为最不利工况,并且迎风侧端部的位移及单元应力最大;多个高阶振型参与振动;共振响应一般不可忽略,但对于起控制作用的响应,背景分量的贡献大于共振分量。

地震作用下单层柱面网壳倒塌机理分析与试验研究

考虑材料的Bauschinger效应、杆件损伤累积效应、杆件失稳及失稳后性能以及杆件失效与杆件断裂等因素分析单层柱面网壳结构的倒塌机理,并进行了试验研究。结果表明,地震作用下单层柱面网壳结构倒塌破坏主要原因是靠近纵边支座的斜杆端部形成塑性铰数量过多,甚至局部形成机构,结构整体刚度显著降低,无法承担地震作用。试验较好地证明了理论分析所得结论的正确性。

单层柱面网壳强震失效分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究

在进行单层柱面网壳强震失效分析时,采用能考虑球节点轴向刚度和弯曲刚度耦合的壳单元精细化模型固然好,但是壳单元模型的单元数目太多,相对于梁单元常用模型的计算量是非常大的。然而,常用模型由于不考虑节点刚度的影响,强震下地震响应分析的结果误差又较大。因此,在常用网壳模型的基础上建立了能等效精细化网壳模型的相对简化模型,此模型在节点区域用梁单元代替空心球节点,通过减小节点区杆件的刚度,可以明显改善模型的分析精度,而且采用模型后计算量增加不大,所以此模型更适合进行此类结构的强震失稳分析。

单层柱面网壳结构的非线性稳定性研究

基于非线性屈曲理论 ,以非线性有限元为工具 ,建立了单层网壳结构的稳定性分析的有效计算方法。将具有广泛适用性的判断结构稳定状态的准则引入到结构强度计算中 ,使强度问题与稳定问题统一在一起 ,并以结构当前刚度参数来反映结构的软化程度 ,采用柱面弧长法进行过程跟踪。

桩-土-结构相互作用下新型抗拔摩擦摆支座对单层柱面网壳结构地震响应的影响

基于设计提出的铜基面抗拔摩擦摆支座（FPB）试验研究和数值模拟,将铜基面抗拔摩擦摆支座以双线性模型简化,并结合桩-土-结构相互作用（PSSI）、黏弹性人工边界相关理论,采用整体有限元法建立桩-土-结构相互作用的隔震（PSSII）单层柱面网壳结构模型,研究桩-土-结构相互作用下铜基面抗拔摩擦摆支座对网壳结构地震响应的影响及地震波输入的空间效应问题。研究结果表明：铜基面抗拔摩擦摆支座使桩-土-结构作用下的网壳结构的节点加速度峰值衰减50%~60%,网壳杆件的内力衰减50%~80%,地震波频谱特性对抗拔摩擦摆支座的隔震效应有着不可忽略的影响;PSSII体系网壳节点加速度最大值未必在地震波垂直入射时最大,入射角度45°~60°是一重要的考虑区间;当地震波入射角度为55°~80°时,在进行抗震计算时可按国家标准规定进行地震波输入,当不在此范围时,不宜按照规范规定进行地震波输入,应考虑地震波的空间效应。

基于可控性柱面网壳结构主动控制作动器布置的优化研究

利用磁致伸缩材料的磁控特性制作的作动器可以对结构进行主动控制。首先分析了这种作动器的工作原理和设计方法,并通过实验对其进行了输出性能测试。接着在对作动器进行动力学建模的基础上,推导出整个柱面网壳结构的作动控制方程,同时基于作动效率,提出了不依赖于控制方法的位置优化准则,并且在综合考虑控制效果系数、硬件成本和系统复杂性等因素的基础上,初步确定了作动器的数量,然后采用遗传算法,对作动器的布置位置进行了优化。最后利用LQR主动控制算法,对一柱面网壳模型结构进行了主动控制分析。结果表明,通过优化布置的作动器能够有效地减小结构的动力反应,是一种较好的主动控制方法。此外,主动控制模拟结果也验证了应用遗传算法优化此类问题的优越性和可靠性。

大空间柱面网壳结构在爆炸荷载下的动力响应

通过应用LS-DYNA程序对柱面网壳结构室内爆炸的数值模拟实验,建立了大空间结构在爆炸作用下进行动力响应计算的合适模型。数值模拟计算结果与J.亨利奇公式结果吻合。通过提取结构表面有限测点的冲击波超压并将其POD分解,解决了冲击波荷载的时空差异性及结构表面压力场分布问题。采用Ritz-POD法对大空间单层柱面网壳结构在爆炸荷载下的动力响应进行了数值模拟计算,研究了结构矢跨比、结构高度、炸药TNT当量及爆炸点位置等参数变化对结构动力响应的影响。结果表明,计算模型适用于大空间结构的爆炸动力响应分析。大空间结构的最大位移和应力响应随炸药TNT当量的增加成非线性增大,应力响应成倍增大,位移响应成数倍增加。偏心爆炸冲击波比中心爆炸对大空间结构构件的损害大,对结构的边跨构件最为不利。对于应力控制设计的结构,应更注重支座附近和边跨结构的防爆能力。矢跨比大的结构防(抗)爆炸冲击波的能力较强。

单层柱面网壳2类模型的地震响应比较分析

为了研究单层柱面网壳节点刚度对结构地震响应的影响,应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA中的壳单元Shell163和梁单元Beam161分别建立了2类相同尺寸的网壳模型.2类模型的主要区别是:壳单元模型中可以按构件的实际尺寸建立空心球节点,并且壳单元节点模型的承载力值与实体单元节点模型值接近.通过改变结构参数,比较了矢跨比、长宽比和跨度变化时同类模型间的响应变化,以及同一结构参数下2类模型的地震响应差值.结果表明:结构参数变化时,2类模型的响应变化幅度存在明显差异;同一结构参数下,2类模型的响应差值变化较大,在进行此类结构地震响应分析时应考虑球节点的刚度影响.

成都双流机场航站楼单层柱面网壳结构的整体稳定性研究

采用基于梁 -柱单元的非线性分析程序 ,对成都双流机场航站楼二典型柱面网壳 +支承柱这一整体结构在三种主要组合工况 (竖向对称荷载组合、竖向非对称荷载组合及风荷载组合 )作用下的承载性能进行了全过程追踪分析。结果表明 ,与单纯柱面网壳结构相比 ,柱面网壳 +支承柱这一整体结构的失稳路径单一 ,一般仅发生极值型失稳 ;其弹性极限承载力大大降低 。