Seismic isolation analysis of FPS bearings in spatial lattice shell structures

A theoretical model of a friction pendulum system （FPS） is introduced to examine its application for the seismic isolation of spatial lattice shell structures. An equation of motion of the lattice shell with FPS bearings is developed. Then, seismic isolation studies are performed for both double-layer and single-layer lattice shell structures under different seismic input and design parameters of the FPS. The influence of frictional coefficients and radius of the FPS on seismic performance are discussed. Based on the study, some suggestions for seismic isolation design of lattice shells with FPS bearings are given and conclusions are made which could be helpful in the application of FPS.

基于位移-速度输入法结构多点激励FPS支座隔震效果研究

受行波效应、相干效应、场地效应的影响,大跨度结构的多点激励地震反应分析非常复杂,且考虑多点激励下对大跨空间网格结构隔震性能的影响是结构工程抗震方向中有重大意义的研究课题。以单层圆柱面大跨度空间网架结构为研究对象,基于直接位移法,应用SAP2000有限元软件建立了多点激励动力反应时程分析模型,进行结构在地震动一致激励和多点激励作用下的动力反应分析计算。结果表明:水平地震动多点激励效应对大跨度空间结构的影响十分显著,需采取使用多点激励输入方式。不设置隔震支座时,多点激励下,支撑柱弯矩与剪力随波速的减小而明显增加,柱顶位移变小,中柱轴力略微上升。基础隔震时,各支撑柱柱顶内力与位移的分配较无隔震时存在差异。边柱的弯矩、剪力及轴力均小于中柱的相应值,但柱顶位移增加明显。柱弯矩减震效率保持在45%~75%,柱剪力减震效率保持在60%~85%;柱顶隔震时,能得到比基础隔震更高的隔震效率,且柱弯矩隔震效率高达90%左右,柱剪力隔震效率保持在85%~90%。柱顶位移显著减小,柱轴力比基础隔震时略有增加。

某单层椭圆抛物面网壳结构荷载试验

网壳结构杆件和节点几何尺寸的偏差以及曲面的偏离对网壳的内力、整体稳定性影响较大。而在既有网壳结构安全鉴定过程中发现质量偏差时,承载力计算应考虑这些偏差情况,但标准并未给出具体方法,文章以某单层椭圆抛物面网壳结构荷载试验为背景,通过荷载试验检验某单层椭圆抛物面网壳结构存在质量偏差的同时,增加额外吊挂荷载情况下结构的承载能力,并为提高结构承载力复核模型的准确性提供依据。

含初始转角的隔震支座在双层柱面网壳结构中的隔震性能

为了研究大跨度空间结构中存在支座转动问题,通过含初始转角的橡胶隔震支座的双层柱面网壳结构研究了水平方向上结构水平地震反应。结合通过实验得出的经验公式对橡胶隔震支座水平性能进行修正,并通过SAP2000应用动力时程分析法,在考虑下部支承结构的情况,对含初始转角的橡胶隔震支座进行了参数分析。结果表明:水平地震作用下,较小转角的隔震支座的支座底部剪力峰值与加速度峰值会下降;随着转角增加,柱顶加速度峰值、隔震支座底部剪力峰值等迅速增加;而跨高比大的网壳结构会放大初始转角对结构的影响,加大结构整体的加速度峰值和结构柱的位移峰值,但限制上层网壳结构的位移峰值。因此在考虑初始转角的情况下,若需要限制网壳结构加速度或位移,设计时需要将网壳结构跨高比的放大效应纳入考虑范围。

某网壳结构分析与设计

某地上连体结构位于四个地块交汇处,采用单层双曲抛物面网壳+预应力拉索杂交的结构形式,网壳下方有栈桥与其形成一体。介绍了该网壳的概况、结构传力体系、设计标准和荷载,以及网壳的承载力、变形,结果表明杆件承载力和变形满足规范要求;介绍了网壳的整体稳定分析,包含几何非线性稳定和几何双非线性稳定分析,结果表明网壳的稳定承载力满足规范要求。此外,还介绍了该工程复杂相贯节点的有限元分析,该项目风洞试验及风荷载取值方法。

空间网壳结构GMA风振光-电主动控制研究

为解决空间网壳结构发生的局部动力失稳、疲劳破坏和变形过大等风振破坏问题,设计离网光伏发电系统供能,超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)出力的GMA风振光-电主动控制系统。基于该系统,进行空间网壳结构风振控制仿真分析,采用免疫遗传算法对不同数量的GMA布置位置进行优化,并基于LQR算法的主动控制策略,提出以综合减振评价指标作为复杂空间杆系结构主动控制效果的评价指标。分析结果表明:GMA风振光-电主动控制系统对网壳结构的风振响应具有良好的控制效果,采用免疫遗传算法对GMA优化布置后,节点的位移及加速度响应最大控制效果均得到显著的提升。当使用70个经过优化布置的GMA时,网壳结构的位移和加速度综合减振指标分别可达到0.64和0.72。

设计参数对箱形截面新型装配式连接系统刚度的影响

节点或连接系统是装配式单层网壳结构的关键部件,其约束刚度对结构整体分析和节点设计起关键控制作用。以一种新型装配式连接系统为研究对象,运用Abaqus进行数值模拟,先研究预紧力对连接系统刚度的影响,接着通过正交数值试验,讨论(端板厚度、螺栓直径、螺栓间距以及承压凸缘截面积)4种构造参数在19种主要控制工况下对连接系统刚度的影响。结果表明:预紧力能提高多数工况下的拉伸、弯曲和剪切刚度,对压缩刚度无贡献。连接系统的拉伸刚度和弯曲刚度与端板厚度、螺栓间距和螺栓直径呈线性正相关;连接系统的剪切刚度与四个构造参数均有关,在不同工况下影响程度有所不同;压缩刚度只与承压凸缘截面积有关,呈线性正相关。除压缩刚度外,连接系统其他刚度均因组合不同变形产生不同显著变化。

考虑塑性发展的球面网壳模态推覆数值研究

网壳结构空间效应明显,故传统的静力弹塑性分析方法(Push-over)难以直接用于网壳结构地震反应分析。基于结构整体刚度参数的模态推覆分析方法(Push-down),改进了传统的用于高层结构分析的Push-over方法,可考虑网壳竖向振动作用,实现网壳结构地震反应的快速分析。本文基于该方法开发了可分析单层球面网壳地震作用下从杆件到结构层面塑性发展程度的子程序模块,并据此进行数值研究。考虑不同单层球面网壳类型、几何参数、地震波特征等,研究其地震作用下的结构位移、基于杆件塑性深度的结构塑性发展,并分析该方法的适用性特点。研究结果表明,该方法计算矢跨比大于等于1/4的球面网壳地震反应较为准确,其计算精度受网壳类型影响较大、受地震波峰值加速度影响较小;多阶模态推覆较一阶模态推覆可提高位移计算精度,但不宜用于塑性发展分析,且所需的模态分析耗时较长。

大跨铝合金自由曲面网壳设计研究

G60拉斐尔科创云廊屋盖的一期工程尺寸为736m×126m,为超长大跨铝合金自由曲面网壳结构。屋盖通过钢结构树状柱支撑于11栋高层建筑屋顶。阐述结构设计过程中关键指标的设计以及荷载取值的原则,通过应变能最小的原则开展屋盖结构找形的研究,介绍屋盖结构中支撑体系设计和网格布置的考虑因素,进一步说明结构分析的关键计算结果。重点介绍本项目的铝合金板式节点性能研究,开展两组板式节点足尺轴压试验,并与有限元模拟对比分析,结果验证了有限元建模的有效性,并为结构设计的安全性和构造的合理性提供数据支撑。同时进行了3组试件抗剪加强节点试验,对比分析3种不同类型板式节点的受力特性和破坏现象。结果表明抗剪键具有良好工作性能。

空腹网壳结构的静力稳定性与极限承载力研究

针对空腹网壳结构的静力稳定性及其极限承载力问题,应用非线性有限元法进行了研究.采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析两种分析方式考查了空腹网壳结构的屈曲模态和失稳全过程,通过大规模的几何参数分析,计算得到了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面等参数取不同数值时的结构极限承载力,并与单层网壳结构进行了对比.结果表明,空腹网壳结构以整体失稳为主,在用钢量相同的情况下极限承载力比单层网壳结构提高2.87倍.空腹网壳结构既具有单层网壳结构简洁美观,又有双层网壳结构的稳定性好和承载力高的优点,是一种优良的结构形式.

新型六杆四面体柱面网壳的构形、静力和稳定性分析

提出一种新型的由投影平面为四边形的六杆四面体单元组成的柱面网壳(简称六杆四面体柱面网壳).这种网壳结构的构形的构造简单,节点和杆件数相对较少,网格抽空率高,具有单层和双层网壳的主要优点.对于上、下弦杆为梁元,腹杆为杆元,可称为上、下弦节点均为半刚接半铰接的六杆四面体柱面网壳,进行静力和线性与非线性稳定性分析.结果表明:其结构的整体刚度好,内力分布合理,线性特征值屈曲分析和考虑几何缺陷的双非线性稳定性分析都能获得较好的性能,结构的技术经济指标和用钢指标良好.柱面网壳可采用统一几何轴线尺寸的六杆四面体单元体集成,有利于标准化设计、工业化生产和装配化施工,符合绿色结构建筑推广应用的要求.

BaTiO_3陶瓷的晶粒壳-芯结构与畴

用分析电镜和高分辨电镜观测了BaTiO_3电容器陶瓷的晶粒壳-芯结构与铁电畴。首次发现本实验的BaTiO_3陶瓷的晶粒壳-芯结构由Nb原子的不均匀分布而形成。晶粒芯为贫Nb的铁电相区,而晶粒壳处由富Nb的顺电相组成。并且,壳-芯晶粒含量和壳-芯区域的大小与BaTiO_3陶瓷的性能可能存在一定关系。研究结果表明,壳-芯边界不同于通常晶粒边界结构,而在铁电畴的畴界处,存在一维方向几埃到数十埃的原子紊乱过渡区。

基于离散变量的网壳结构截面优化设计

以杆件横截面积及工程中常用的两种球节点体积为设计变量 ,以工程造价为目标函数 ,采用基于离散变量的两级优化方法对空间网壳结构进行了截面优化设计 ;编制了SIOP网壳结构截面优化设计程序 ,解决了与Algor(SAP93)程序的接口问题。为提高精度 ,在优化设计过程中采用了 0阶修正。最后通过两个算例 ,与满应力优化设计结果进行了比较 。

内外双重张弦网壳结构的模型设计及静力试验

为了研究内外双重张弦网壳结构整体预张力的分布特性和静力荷载下的内力和变形特点,按照1∶15比例设计和制作了乐清体育馆屋盖的缩尺模型.将整个结构分为索杆部分和梁元部分,根据相似性原理确定模型各参数的相似比;进行构件和节点的设计,讨论模型设计的有效性;根据试验内容和模型特点确定试验的加载方案和测量方案,对该模型进行全垮加载试验.研究结果表明:有限元分析结果和试验值吻合较好,试验模型的设计、加载方式和测量方案满足要求;全跨加载情况下的结构内力和变形基本上呈线性变化,说明体育馆采用的新型内外双重张弦网壳结构具有良好的承载能力和结构刚度,结构体系安全可靠.

拉索预应力网壳结构的优化设计

预应力网壳结构是一种新型空间结构 ,它将预应力技术引入空间钢结构 ,拓展了预应力技术的应用范围。首次提出利用数学规划 ,解决在给定结构布局和布索方案的前提下求解空间网格结构最佳预应力值的方法 ,解决了这一技术的关键问题 ,并参照工程实际 ,提出了预应力度的合理取值。

弦支穹顶结构体系的分类及结构特性分析

针对弦支穹顶结构体系,提出了3种分类方法,分别是按照上弦杆件刚接、铰接划分,按照下弦拉索的类型划分以及按照上层单层网壳形式划分。对肋环型、施威德勒型、联方型、凯威特型、三向网格、短程线型以及组合型等各种弦支穹顶结构形式进行了结构特性分析。联方型和凯威特型单层球面网壳,易于布置拉索和撑杆且上弦网格均匀,均适于构成弦支穹顶体系,而且由于上弦网格均匀,结构对称,杆件种类较少,设计和施工比较简便,所以联方型、凯威特型弦支穹顶是最有效的弦支穹顶结构形式。按照工程应用方便的原则,推荐采用按照单层网壳形式划分的分类方法,尤其是采用联方型、凯威特型以及联方-凯威特型弦支穹顶结构形式。

营口市奥体中心体育馆屋盖结构优化选型

为得到营口市奥体中心比赛用馆屋盖结构的合理形式,基于通用有限元软件ANSYS及自主开发的辅助接口程序,对双层网壳及弦支网壳的两种结构形式进行了细致的受力分析,通过结构位移、支座反力、杆件内力及用钢量等参数的对比,确定了屋盖结构采用下层索在同一斜平面内的弦支网壳形式;同时对此结构形式进行更全面更具体的优化设计,从结构的总体变形、内力响应、用钢量等方面验证了此结构形式的合理性及可行性.

某火车站无站台柱雨棚钢结构设计

研究目的:根据某火车站在改建工程中站台雨棚要求无柱化,提高通透性、舒适性的特点,对该站台雨棚的设计进行研究。研究方法:结合现场条件,采用单跨全覆盖的建筑形式。主体结构平面为41 m×400 m,两侧仅设置落地支撑28个,结构内部不设支撑柱,采用空间结构分析软件进行结构计算的研究方法。研究结果:通过铁路站台雨棚首次采用螺栓球网壳和落地立体管桁相结合的空间结构受力体系的实践,提出了成功的设计经验和有针对性的细部构造措施。研究结论:无站台柱雨棚采用正放四角锥双层柱面网壳与落地管桁结构的综合受力体系,不仅可以合理地发挥杆件效用,而且还可充分地展现建筑效果。对于体形较大的结构,温度效应的影响十分显著,在设计过程中采取相应的处理措施能有效地改善结构在温度作用下的受力性能;结构中的细部设计也应用了合理的分析计算方法,确保了结构的安全适用。

膜型网壳结构巨型网格结构的整体与局部稳定性研究

针对子结构为单层膜型网壳的圆柱面交叉立体桁架系巨型网格结构 ,分析了结构的构成、形体参数 ,建立了几何非线性力学模型 ,编制了相应的稳定分析程序。着重研究了整个结构的稳定性能、失稳形式 (局部失稳与整体失稳 )、局部失稳与整体失稳模态等 ,就不同的失稳形式进行了一系列的参数分析 ,研究了各参数对结构的失稳形式及极限载荷的影响 。