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。

某切边不规则凯威特单层球壳结构非线性屈曲分析

以某切边不规则凯威特单层球形网壳作为研究对象,研究由于开洞而造成的不规则、支承拱梁水平刚度和竖向刚度的变化、活载的非对称分布、初始几何缺陷、几何非线性以及材料弹塑性对网壳非线性屈曲性能的影响,并采用有限元软件ANSYS对此结构进行非线性的荷载-位移全过程分析。研究结果表明:与完整球壳相比,切边球壳的稳定性能大幅度下降;与水平刚度相比,拱梁的竖向刚度对稳定性的影响较大;按一致缺陷模态法得到的稳定承载力系数,往往不是最小;初始几何缺陷值取跨度的1/400较适宜;材料非线性对切边球壳稳定性的影响较大;活载的非对称分布对本结构的稳定性并无不利影响。

K6型单层球面木网壳稳定承载力非线性分析

针对4组不同节点构造、矢跨比的木结构网壳试验模型,采用ANSYS软件中的Beam189非线性梁单元模拟连接节点的半刚性特征,开展基于多段梁模型的网壳承载力全过程非线性有限元分析。通过对比有限元与试验结果在荷载-位移全过程曲线、破坏模式以及极限承载力等方面的吻合度,判断多段梁方法在木结构网壳稳定性分析上的可行性。研究发现:多段梁方法与试验结果较吻合,多段梁分析方法可有效揭示木网壳的破坏机理;矢跨比是影响单层木网壳破坏形式的主要因素,大矢跨比易出现强度破坏,小矢跨比易出现稳定破坏,节点刚度对小矢跨比模型的影响程度更加明显;弹塑性分析时,木结构网壳的极限承载力建议按弹性多段梁有限元分析承载力的40%取值。研究成果以期为木网壳非线性稳定承载力的进一步研究提供借鉴。

凯威特型索承网壳结构的自振特性及参数分析

索承网壳结构是由单层球面网壳和去掉上层索的张拉整体结构组成的一种跨越能力大、经济合理的新型杂交空间结构。选用梁元、杆元和索元的混合有限元模型,采用分块Lanczos法,对凯威特型索承网壳结构的自振特性及其影响因素进行了系统分析研究,并与单层网壳结构进行比较,得出了可用于工程实践的结论,对其抗震、抗风性能分析研究以及工程应用有参考价值。

单层球面网壳结构的力学性能研究

基于非线性有限元方法 ,研究了单层球面网壳结构的内力分布规律及结构变形特点 ,并针对力学计算模型、结构矢跨比、外荷载分布等主要因素 ,研究其对单层网壳结构力学性状的影响情况。得出了工程中常用的单层球面网壳的荷载传递方式以及存在于结构内的力流方向 ,为在工程设计中控制力流 ,并设计力流的导向提供理论指导。

单层网壳结构的阻尼减振控制分析

对凯威特型单层球面网壳结构进行了削弱杆件刚度、附加阻尼器杆件的减振控制研究。削弱部分原有杆件的刚度后,附加阻尼减振杆件。根据阻尼杆件的力学特性,在ANSYS软件中建立附加阻尼杆件的数值计算模型,根据阻尼杆件的不同位置进行结构建模及动力分析,主要考察阻尼杆件的布置位置对网壳结构减振效果的影响,以附加斜杆和附加环杆两种方式为例进行了网壳减振结构地震作用分析。研究结果表明:阻尼杆件的布置位置对网壳结构的减振控制效果有非常重要的影响,通过合理削弱原有杆件刚度并设置附加阻尼杆件,可以使网壳结构的位移、加速度和杆件内力等动力反应有较大的降低。

超大跨度自平衡预应力索杆球面网壳结构的设计与分析

目的为实际工程应用设计具有空间刚度的自平衡预应力结构单元.方法结合已有的大跨预应力网壳研究结论和自平衡结构体系的特点设计结构的网格尺寸、高度和厚度,利用ANSYS大型有限元分析软件进行结构计算和静力分析.结果经过合理的构件截面设计,在外载作用下,结构最大的拉索应力为1382.1 MPa,最大的压杆应力为-254.58 MPa,最大竖向位移为-1.66 m;结构内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象.结论单元拼装式自平衡预应力结构在超大跨度空间结构应用是可行的,设计应综合考虑网壳厚度、预应力值、索杆截面变化引起的索杆应力变化.

单层球面网壳的优化设计

提出了针对单层球面网壳结构的一种优化设计方法,它是一种以网壳的总造价为目标函数,取网壳的网格数、矢高、杆件截面面积和节点体积作为优化设计变量,采取直接搜索法与准则法相结合的优化设计方法.基于用Fortran90软件编制的优化设计程序,对单层球面网壳结构进行了大量的计算,用回归分析得出网壳最优网格数、矢高、杆件截面面积和节点体积,同时使杆件面积规格化,以便直接用于实际工程.

短程线型单层球面网壳风振响应参数分析及实用抗风设计方法

本文运用网壳结构频域分析法,在七种基本参数的常用变化范围内,对短程线型单层球面网壳进行风振响应分析.考察各参数对短程线型球面网壳的风振响应及控制响应所对应的风振系数的影响,然后对所得的计算结果进行统计分析和归纳.在此基础上从理论高度进行概括,提出了短程线型单层球面网壳的实用抗风设计方法.

单层球面网壳的最不利简单动荷载分析

同时考虑了几何非线性与材料非线性,分别对简谐荷载、阶跃荷载作用下的单层球面网壳进行了最不利动荷载分析:通过变换简谐荷载的频率和阶跃荷载的持时,明确了结构动力响应与其自振特性及荷载频谱特性之间的关系,确定了何种条件下的荷载为结构最不利动荷载。结果表明:无论是水平还是竖向简谐荷载,当激励荷载频率与激励作用方向最大振型参与系数所对应的固有频率接近时,为结构的最不利动荷载;无论是水平还是竖向阶跃荷载,当荷载持时为荷载作用方向最大振型参与系数所对应的固有周期的1/2时,为结构的最不利动荷载。

约束屈曲支撑在单层网壳减震控制中的应用研究

采用有限元分析程序ANSYS,分别对带有约束屈曲支撑(Bckling Restrained Braces,简称BRBs)的单层柱面网壳、单层球面网壳进行动力时程响应分析,分别考虑了水平及竖向地震作用.比较各种情况下网壳节点位移和杆件内力变化情况,综合研究了约束屈层支撑在四边支承单层柱面网壳和单层球面网壳的适用性,探讨了如何布置约束屈层支撑,分析了约束屈层支撑减震性能.

球面网壳地震动输入与振型响应的相关性

通过分析球面网壳结构对预定地震荷载谱的响应,选出对结构反应贡献较大的主振型(DM)并用于振型叠加计算,提高振型叠加法(MSM)的计算效率.为获得球面网壳在预定地震荷载谱作用下的响应规律以及研究结构振型响应与地震动输入的相关性,基于准静力响应、共振响应及耦合响应的定义,计算结构在预定地震动输入功率谱作用下的位移响应谱、准静力响应谱、共振响应谱及耦合响应谱,得出各响应分量对总响应的贡献规律.结果表明,在预定地震动输入下,球面网壳结构响应主要由某一个或几个特定频率区段的振型响应控制,在不同的频率区段,对总响应贡献最大的响应分量类型不同.给出在预定地震动区划和场地条件下,考虑地震动输入与结构响应相关性的改进振型叠加法的分析流程.

大跨度拉索预应力带肋单层球面网壳的稳定性及应用研究

大跨度预应力带肋单层球面网壳结构的稳定性在设计中起着控制作用,尤其是各种因素(例如矢跨比、布索方式、缺陷及加载方式等)对该结构稳定性的影响还有待深入研究,目前研究多集中在中小跨度的带肋网壳结构动力或稳定性方面。该文对K6型和K8型110m拉索预应力带肋单层球面网壳的稳定性进行了较系统研究。分析了四种不同矢跨比、两种布索方案、四种初始缺陷和三种加载方式等因素对稳定性的影响;得到了不同因素对结构稳定性影响的关系曲线,找出了最优布索方案和矢跨比,并与天津市体育中心体育馆进行结构性能和耗钢量比较,结果表明:该结构形式能充分发挥材料性能,提高了极限承载力,与原结构相比节省了25.7%的钢材,经济效益显著,对于将来工程实践具有参考和指导意义。

单层球面网壳在多维地震作用下的随机响应分析

采用课题组推导的多维虚拟激励理论方法及自编计算机程序 ,对常用 K6型单层球面网壳多维地震反应规律进行了系统研究。论文首先对功率谱计算时的参数取法进行了讨论 ,然后对单层球面网壳进行了大量多维与单维响应对比分析 ,考虑了矢跨比、荷载、跨度等主要结构参数影响 ,给出了主肋、环杆、斜杆在不同参数下多维与单维地震反应对比规律及数值范围。分析结果表明 ,网壳大量主要受力杆件三维地震内力远远大于单维地震内力 ,得出在网壳抗震设计中必须要进行三维地震作用分析的结论。

铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性研究

为了研究K6型和K8型铝合金板式节点单层球面网壳的自振特性,采用有限元软件ANSYS进行了大规模有限元分析,分析中考虑了矢跨比、跨度、屋面荷载、跨厚比、网格密度、约束条件等参数的影响。基于有限元分析结果,拟合得到了不考虑节点刚度影响时单层球面网壳的基本自振频率估算公式。考虑板式节点刚度的影响,引入基频放大系数,进一步提出了考虑板式节点刚度影响的网壳基频估算公式。将所提出的估算公式的计算值与某铝合金板式节点网壳的实测基频进行了比较,结果吻合良好,证明了公式的有效性。

开孔对大跨度双层球面网壳结构多维地震反应的影响研究

在考虑几何大变形和材料非线性的基础上,研究开孔对某煤仓顶部跨度为116.1m的双层球面网壳结构在单维和多维地震作用下的弹塑性地震响应的影响。结果表明:与单维地震作用下相比,多维地震作用下开孔结构的最大水平位移增大20.6%,杆件的最大轴应力增大19%;与El-Centro地震波作用下相比,在长周期地震波作用下,无孔和开孔结构的地震响应有明显增大的趋势,且开孔对网壳结构地震反应的影响更为显著;在多维地震作用下,相比于无孔结构,开孔结构的最大水平位移可增大14%,最大轴应力可增大7.6%,杆件的最大响应塑性率可增大15%。

凯威特单层球面网壳的几何缺陷相关性

凯威特单层球面网壳结构的稳定性对初始几何缺陷非常敏感,特别是节点位置安装误差造成的结构曲面形状偏差.由于单层网壳结构各节点之间由刚性杆件连接,因而不同节点的位置偏差具有相关性.理论分析和实测数据均表明,单层球面网壳结构中节点距离越远,节点位置偏差的相关性越弱.根据对节点位置偏差相关系数的计算推导和分析,建立以节点空间距离为自变量的相关系数函数,提出初始几何缺陷相关性的分式函数计算模型,并给出具有相关性的初始几何缺陷生成方法.建立凯威特单层球面网壳结构数值模型,根据提出的分式函数模型生成具有相关性的初始几何缺陷,将缺陷引入模型并进行整体稳定性分析,结果表明缺陷相关性会对结构整体稳定承载力产生明显影响.进一步对缺陷相关性进行参数分析,将不同相关程度和不同规模大小的缺陷引入模型中并计算结构整体稳定性,结果表明:初始几何缺陷较小时,相关性总是有利于结构稳定性;而缺陷较大时,结构稳定承载力会随相关性增强先减小后增大,中等程度相关性会对结构稳定性产生不利影响.因此,忽略缺陷相关性可能会使凯威特单层球面网壳结构稳定承载力的计算结果偏于危险,取相关系数为0.5进行分析,能有效考虑不利的相关缺陷.

考虑损伤累积的单层球面网壳弹塑性动力稳定研究

针对动力荷载作用下单层球面网壳结构考虑损伤累积效应的动力稳定问题,应用有限元方法进行了研究.建立了钢材考虑损伤累积的本构关系模型,并通过对动力时程计算时不同子步弹性模量和屈服强度的不断修正,获得了考虑损伤累积的单层球面网壳的动力响应,进而对结构进行了动力稳定分析.结果表明,考虑了损伤累积效应的单层球面网壳的动力响应增大,动力失稳的临界地震波峰值降低.

铝合金单层球面网壳结构阻尼特性

通过现场实测对铝合金板式节点单层球面网壳结构的阻尼比进行了分析研究.针对一平面尺寸45 m×45 m,矢高2.86 m的铝合金板式节点单层球面网壳结构,设计了11种工况,通过现场实测采集了160条人工激励下的节点加速度自由衰减振动信号以及6条环境激励下的节点加速度振动信号,采用解析模态分解法(AMD)结合希尔伯特变换识别结构的自振频率和阻尼比.对所得数据进行分析,建议铝合金板式节点单层球面网壳的结构阻尼比取4%.运用实测阻尼比数据建立有限元模型分析结构动力响应,对应实测节点加速度响应曲线和有限元计算得到的响应曲线吻合较好,所测得阻尼值可为现行规范修订提供依据,为结构动力分析与工程设计提供参考.

SMA-橡胶支座在单层球面网壳结构中的隔震分析

对新型SMA-橡胶支座隔震单层球面网壳结构进行了系统的动力分析。给出了理论分析方法,编制了相应的计算程序。对某凯威特单层球面网壳在不同工况下地震响应的数值模拟表明,该新型隔震支座可有效降低空间网壳结构的振动响应。