Schwedler网壳结构强震作用下的动力强度破坏研究

对Schwedler单层球面网壳结构进行了强震作用下的动力全过程分析,研究了结构的失效机理。对40m跨的Schwedler理想网壳结构和考虑初始缺陷的网壳结构进行了全过程动力时程分析,考查了此类型网壳结构的动力性能和破坏形式,采用一致缺陷模态法处理初始缺陷,分析了初始缺陷对Schwedler网壳结构动力性能的影响;对具有初始缺陷的网壳结构进行了参数影响分析,分别考查了地震作用、杆件截面和屋面荷载三种因素对结构动力性能的影响;将研究结果与其它球面网壳结构进行了比较,验证了文献[6]提出的理论框架的合理性和实用性。     

一种球面网壳动力失效的联合预测方法

以地震作用下精细化有限元分析的单层球面网壳的动力失稳破坏模式为基础、结合细胞自动机(CA)方法,发展了一套单层网壳动力失稳破坏模式和失效荷载的联合预测方法。首先,对基础单层球面网壳进行了简谐荷载作用下全荷载域动力时程有限元分析(FEA),并时时提取各级动荷载幅值下所有节点的位移值及单元的应变能密度。之后,用建立的联合方法预测了其它同类网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载,并与相应FEA计算结果进行了分析比较。结果表明,所提出的联合方法,在一定程度上能基于一个单层球面网壳的动力失稳破坏模式和失效荷载预测其它不同跨度、不同矢跨比、不同杆件截面尺寸的单层球面网壳的动力失稳破坏模式及失效荷载。因此,结合FEA数值模拟,实现了CA方法在单层球面网壳动力失稳破坏模式和失效荷载预测中的应用。     

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。     

单层网壳结构稳定性分析方法研究

为了准确地分析具有初始几何缺陷的单层网壳结构整体稳定性,运用随机缺陷模态法、一致缺陷模态法和N阶特征缺陷模态法,对4个不同矢跨比的K8型单层网壳进行了近1300例弹塑性荷载-位移全过程分析,探讨不同分析方法的合理性和可行性。研究表明:随机缺陷模态法能较为科学地评估初始几何缺陷对结构稳定性的影响,但计算量较大;对稳定承载力系数样本进行统计特性分析时,空间样本数量n不应小于100;运用随机缺陷模态法确定网壳结构最终的稳定承载力系数时,建议采用“3σ”原则;采用最低阶屈曲模态模拟初始几何缺陷分布,求得的稳定承载力并非最不利,其保证率得不到有效保证;N阶特征缺陷模态法能够通过较少的计算量,得到满足“3σ”原则要求的稳定承载力,并能较为合理、安全地评估网壳结构的稳定性能;在运用N阶特征缺陷模态法时,建议N=20。     

初始缺陷对三向张弦梁结构整体稳定性影响研究

三向张弦梁结构是新广州站工程采用的一种新型张弦梁结构,因此有必要对三向张弦梁结构的整体稳定性能进行深入的研究。该文首先对随机缺陷模态法进行了改进,使其更适用于网壳与张弦梁混合结构的缺陷稳定性分析。然后分别采用改进的随机缺陷模态法和一致缺陷模态法对三向张弦梁结构的缺陷稳定性进行了研究。分析结果表明:改进后的随机缺陷模态法更适用于网壳和拱梁混合结构形式的缺陷稳定性分析;缺陷越大,该三向张弦梁结构对缺陷越敏感,整体稳定性能受缺陷的影响越大;与理想结构破坏模式最接近的特征值屈曲模态为最不利的特征值屈曲模态,按此模态施加初始缺陷后的结构承载力最低;按非线性屈曲模态对结构施加缺陷得到的结构极限承载力小于按特征值屈曲模态施加缺陷的情况,与随机缺陷模态法的结果最为接近。     

单层网壳结构风振响应的模态耦合效应分析

基于网壳结栖频谱分布密集、空间相关性强的自身特性，其风致动力响应不仅要考虑多阶模态的贡献，通常还要考虑模态耦合效应。因此，对网壳结构风振响应的模态耦合效应进行研究很有必要。根据模态广义位移协方差矩阵的特性，对Kiewitt6—6型单层球面网壳和三向网格单层柱面网壳结构的模态耦合效应进行了系统的参数分析，在此基础上，给出了网壳结构风振响应的模态耦合效应程度判据。     

单层球面网壳结构弹塑性稳定性能研究

有计划地针对六种实际尺寸的常用单层球面网壳结构,利用ANSYS软件及自编的前后处理程序进行了3200余例网壳双重非线性全过程分析。求得网壳的弹塑性极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布,支承条件等因素对单层球面网壳结构弹塑性稳定性能的影响,着重研究考虑材料非线性后网壳极限承载力的变化规律。通过这种大规模参数分析研究,较全面了解单层球面网壳结构的弹塑性稳定性能,为实际工程设计提供了理论依据和设计参考。     

球面网壳最不利几何缺陷的凸集和概率模型

该文提出了一种使用凸集模型确定单层球面网壳最不利初始几何缺陷的有效方法。初始几何缺陷的模拟使用前N阶线性屈曲模态的线性组合,其大小为随机变量,在N维欧氏空间中的椭球集合上变化,结构的非线性屈曲极限承载力表示为这些随机变量的函数,该文方法可以替代计算昂贵的概率方法研究缺陷敏感性结构。通过蒙特卡罗方法验证了凸集模型所得结果的正确性,该文计算采用ANSYS参数化设计语言二次开发实现。     

小比例柱面网壳振动台试验及动力响应概率模型

针对单层网壳实验费用高、周期长及地震变异性大等问题,开展了一小比例单层柱网壳振动台试验模型试验,并基于该模型试验统计了考虑地震动变异性时单层柱面网壳的动力响应概率模型。参考孔洞胶接节点装配式单层球面网壳模型制作方法制作了一小比例单层柱面网壳模型;在此基础上,分别选用TAFT波、人工地震波和简谐波对该单层柱面网壳模型开展一系列振动台试验研究,包括弹性阶段的动力特性测试和弹塑性状态下的动力倒塌测试;立足于现场实测数据,基于通用有限元分析软件ABAQUS建模、并开展相应数值仿真分析,总结分析单层柱面网壳模型动力特性与破坏特征;基于40组动力实测数据研究地震变异性对单层柱面网壳动力特性的影响,并初步拟合出地震动变异性与该结构动力响应的概率模型。该研究对开展系列单层网壳振动台试验定性研究及空间网壳结构抗震规范的修订提供参考。     

基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化分析

为准确模拟地震作用下杆件损伤对单层球面网壳结构剩余承载力的影响,该文基于"拟壳法"思想,推导了单层球面网壳结构最薄弱网格区域内杆件损伤与结构剩余承载力的关系式,建立了基于损伤的单层球面网壳结构地震剩余承载力评估模型,并以跨度80m的K8型单层球面网壳结构为例,开展了不同地震作用下单层球面网壳结构地震剩余承载力评估与优化研究。结果表明:建立的评估模型能够快速、准确评估薄弱网格区域处的杆件损伤对单层球面网壳结构地震剩余承载力的影响程度;应用该评估模型对单层球面网壳结构进行地震损伤优化,可明显提高结构的地震剩余承载力。     

单层球面网壳抗连续倒塌性能研究

该文结合单层球面网壳冗余度较低、稳定性问题突出等特点,提出了一种基于构件承载能力的敏感性评价指标,对采用不同网格布置形式的单层球面网壳进行了连续倒塌分析,明确了结构在极端雪荷载作用下的连续倒塌破坏模式以及敏感构件和关键构件的分布规律,分析了初始缺陷和压杆屈曲对构件敏感性的影响。分析结果表明:网格布置形式对单层球面网壳的抗连续倒塌性能以及破坏模式有很大影响,K8型网壳以及K8-联方型网壳在撤除敏感构件后均发生了整体倒塌破坏,而短程线型网壳的内力重分布能力较强,未发生连续倒塌破坏。增大关键构件的截面尺寸比增大敏感构件的截面尺寸更能有效提高单层球面网壳的抗连续倒塌性能。考虑初始缺陷后,构件重要性系数最多增大3.0倍,敏感构件的分布位置基本不变;而考虑压杆屈曲后,结构敏感构件的数量明显增加,重要性系数增大了1.2倍~5.6倍。     

铝合金单层球面网壳的非线性稳定分析

以K8型单层球面网壳结构为例,采用有限元分析软件ANSYS进行建模和计算,对铝合金网壳进行了几何非线性稳定分析,讨论了矢跨比、荷载分布形式、初始缺陷和支承条件对网壳稳定性承载力的影响。通过与钢网壳比较,得到了一些关于铝合金单层球面网壳稳定性的结论,可为相关的工程设计提供参考。     

考虑杆件初弯曲的网壳弹塑性稳定性的弱形式求积元分析

初始缺陷是影响网壳稳定性的主要因素之一。技术规程建议的一致缺陷模态法综合考虑了结点的位置偏差与杆件的初弯曲,但现有计算方法难于便捷地单独全面体现初弯曲的影响。该文基于几何精确梁理论构造了一种弱形式求积元模型。通过引入纤维模型模拟材料非线性,结合柱面弧长法实现了对空间曲梁结构的弹塑性大位移分析,通过算例验证了提出模型的有效性。该模型构建不需具体指定位移形函数,避免了使用有限元软件中的复杂建模过程。运用该模型计算了几类典型网壳在杆件初弯曲方向随机分布,不同弯曲挠度下的极限承载力。计算结果表明,在现有钢结构生产工艺下杆件初弯曲的缺陷对于网壳稳定性的影响较小,不起控制作用。通过与一致缺陷模态法的计算结果和空间网格结构技术规程计算的承载力进行对比,对规范的承载力计算公式提出了考虑特殊网壳形式及材料屈服强度的改进建议。     

协同工作条件下地基土对单层球面网壳结构动力性能的影响

针对大跨空间结构与地基土协同工作问题,基于修正的S-R(Sway-Rocking)模型,建立单层球面网壳屋盖-支承结构-地基土协同工作的整体有限元模型,分析协同工作条件下不同地基土对单层球面网壳结构自振特性及地震响应的影响。研究表明,协同工作条件下单层球面网壳结构的自振周期随着地基土的变软明显增大,屋盖结构竖向振型提前。在地震作用下,单层球面网壳屋盖的杆件轴力和网壳节点最大竖向加速度随着地基土变软而减小;网壳节点的最大水平位移随着地基土的变软而增大,而最大竖向位移呈现减小趋势。     

大跨度单层空间网格结构连续性倒塌动力效应分析及简化模拟方法研究

为评估大跨度单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应,并确定此类结构静力分析时所采用的荷载动力放大系数,构建了单层空间网格结构抗连续性倒塌的单自由度子结构模型,推导出考虑初始状态下子结构在线弹性、弹塑性阶段的动力放大原理,通过数值算例分析验证了其正确性。提出适用于单层空间网格结构的连续性倒塌动力效应简化模拟方法,通过算例验证后给出单层网壳结构荷载动力放大系数的建议取值范围。研究表明:不考虑初始状态时,弹性阶段下的位移动力放大系数、荷载动力放大系数趋势保持一致;弹塑性阶段下,随着塑性的发展,荷载动力放大系数逐渐减小,位移动力放大系数逐渐增大。考虑初始状态后,虽然两个动力放大系数的变化趋势未发生改变,但值均显著减小,与理论分析结论一致,因此必须考虑初始状态的影响。此外,对于单层网壳结构,当DCR<0.7时,建议荷载动力放大系数取1.7~1.9;当DCR>0.9时,建议取1.4~1.6。     

铝合金半刚性椭圆抛物面网壳静力稳定性分析

针对目前铝合金单层网壳结构中节点形式过于单一的局面,该文首先研发出了一种新型铝合金半刚性节点--柱板式节点。获得了柱板式节点绕强轴、弱轴和扭转三个方向的弯矩-转角曲线,并将其引入到网壳杆件单元模型中,建立了半刚性节点工字型杆件椭圆抛物面网壳的数值分析模型。在此基础上,考虑节点强轴刚度、节点弱轴刚度、节点扭转刚度及跨度和矢跨比等参数影响,对半刚性节点高强铝合金椭圆抛物面单层网壳进行了弹塑性全过程分析,得到了各参数对网壳极限承载力的影响规律,并详细地考察了网壳失稳时的变形形态。研究发现:网壳失稳时,网壳中的柱板式节点均处于弹性状态,说明柱板式节点有较好的刚度,网壳的失稳为伴随杆件扭转屈曲的局部失稳。     

基于模糊综合判定的网壳结构强震失效模式研究

为合理判别单层网壳结构在强震下的两类失效模式,指导网壳工程在地震区的实践,该文采用考虑材料损伤累积的荷载域全程分析方法,对单层球面网壳和单层柱面网壳在动力荷载下(包括强震)的响应进行了系统的参数分析。简述了两类失效模式的结构表现及结构响应特征;引入模糊数学中的模糊综合判定理论,确定了网壳结构多项响应因素与模糊失效模式集合的关系,建立了基于模糊综合判定的网壳结构动力失效模式判别模型;通过分析表明:所建立的模型具有准确的判别效果,可对网壳结构在动力荷载下的失效模式进行判别。