网壳结构考虑杆件失稳过程的整体稳定分析

通过引入杆件初始缺陷的方法对杆件失稳过程及其对网壳结构整体稳定性能的影响进行分析。首先研究杆件的单元划分数量和缺陷幅值对杆件稳定承载力的影响,提出合理的缺陷幅值。进而计算分析了世博轴阳光谷网壳结构杆件失稳过程中的内力变化及对结构整体稳定性能的影响。结果表明,结构非对称、杆件截面有强弱轴的网壳结构易引起杆件失稳,网壳结构整体稳定分析中可通过对杆件施加初始缺陷有效地考虑杆件失稳对整体稳定性能的影响;对整体失稳之前存在杆件失稳的网壳结构,有必要引入杆件初始缺陷考虑杆件连续失稳的影响。最后提出了网壳结构稳定分析的合理计算流程。     

大矢跨比单层球面网壳动力试验模型弹塑性稳定分析

为了解水平地震作用下具有不同失效机制的单层球面网壳结构在静力荷载作用下的弹塑性稳定性能,利用有限元软件ANSYS,对两个矢跨比为1/2的单层球面网壳结构试验模型进行双重非线性全过程分析,获得结构的弹塑性极限承载力,比较二者的失稳模态,初步了解二者之间的差异。考察结构杆件屈曲、初始缺陷等因素对结构稳定性能的影响,并分析各因素对结构极限承载力的影响规律。结果表明,地震作用下,具有强度破坏特征的网壳结构在静力下的失稳模式表现为结构的整体失稳,而发生动力失稳破坏的结构则表现为局部失稳破坏。杆件失稳和初始缺陷使结构的临界荷载大幅度降低,且地震作用下属于强度破坏的单层球面网壳结构在静力下对初始缺陷的敏感性大于动力失稳破坏结构。     

初始几何缺陷对单层球面网壳结构地震承载力的影响研究

为研究不同初始几何缺陷对单层球面网壳结构地震承载力的不利影响,根据"拟壳法"的内力状态,提出了弯曲应力为主杆件数量占有效杆件总数的百分比最大,作为网壳最不利缺陷的判别准则.基于该准则,以跨度80m的K8型单层球面网壳为例,开展了考虑最不利高阶模态缺陷的网壳结构地震承载力影响分析.结果表明,网壳结构最不利缺陷一般出现在高阶屈曲模态;相比最低阶屈曲模态缺陷,最不利高阶模态缺陷计算所得的网壳结构地震动力响应显著增大,结构地震承载力明显降低;最不利缺陷的判别准则只需考虑前20阶屈曲模态范围,即可保证网壳结构地震承载力的计算精度和计算效率.     

截面优化后网壳结构几何缺陷敏感性研究

单层网壳结构是缺陷敏感结构,经截面优化设计的单层网壳结构对初始几何缺陷分布形式更加敏感.在多种缺陷分布形式下,对截面优化后的网壳模型进行双重非线性整体稳定性分析,研究杆件截面取值与缺陷分布、结构极限承载力之间的关系.结果表明:截面优化寻优结果与初始几何缺陷分布有直接关系,增大缺陷较大处杆件截面能显著提高结构承载力;经截面优化设计的网壳仅在其设计初始几何缺陷下稳定承载力满足设计要求,在其他缺陷下承载力均下降明显.本文对这一现象进行了深入的研究,并通过优化"杆件分组"的方式改进了由截面优化设计导致的结构稳定承载能力对缺陷分布的高度敏感性,提高了结构整体稳定承载力的鲁棒性,同时降低了结构的耗钢量.     

单层柱面网壳失稳区域预测及稳定承载力优化

网壳结构的极限承载力往往由其稳定性能所决定.从杆系结构在失稳前的受力状态分析出发，构建了以杆件的拉压刚度和杆件与节点切平面夹角乘积之和的网壳杆件构形刚度参数.通过对两个不同矢跨比柱面网壳的分析表明，考虑初始几何缺陷后，柱面网壳结构的失稳点发生在杆件构形刚度参数最小的区域；加强杆件构形刚度参数最小区域的杆件截面可以快速提高网壳的稳定承载力，且用钢量较为经济.所构建的柱面网壳杆件构形刚度参数以及衡量稳定加强效果的指标可以较好地预测失稳区域以及指导柱面网壳结构稳定承载力的优化设计.     

三心圆柱面双层网壳结构整体稳定性分析

以某电厂干煤棚三心圆柱面双层网壳结构为例,建立结构稳定有限元分析模型,考虑、久荷载+全跨可变荷载""永久荷载+半跨可变荷载" 2种分析工况,取各工况作用下的一阶屈曲模态作为结构的初始几何缺陷分布模态,采用仅考虑几何非线性和考虑几何、材料双重非线性的全过程分析方法,计算得到各模型的荷载-位移曲线和稳定承载力系数,结果表明"永久荷载+全跨可变荷载"工况对结构稳定更为不利;随着缺陷幅值增加,结构稳定系数下降不多,说明初始几何缺陷对结构稳定性的影响较小。结构失稳主要由部分杆件进入塑性引起,采用弹性全过程分析方法会过高估计结构稳定承载力,建议在计算三心圆柱面双层网壳结构的稳定性时采用弹塑性全过程分析方法。     

空间网格结构连续性倒塌试验研究

为研究空间网格结构遭遇局部初始破坏后的结构响应、倒塌过程与倒塌机制,以单层球面网壳结构为研究对象,进行了1个直径为4.2m,矢跨比为1/7的凯威特型网壳结构整体模型的连续性倒塌试验。施加节点集中荷载,采用自主研发的杆件破断触发装置使网壳模型的1根经向杆件发生突然破断,并以采样频率100Hz采集网壳模型各位置杆件的高频动应变响应,基于高速摄像测量技术（帧频200fps）获取模型节点的高速动位移响应。初始破坏发生后,网壳模型呈现出自破坏局部向周围逐步扩展的连续性破坏,最终整个模型完全翻转并在一系列最外层杆件断裂后部分坠落。试验结果表明：尽管单层球面网壳结构杆件众多,但单根杆件的失效仍可能触发连锁反应,导致整体结构的连续性倒塌;单根杆件破坏后,局部内力重分布导致的杆端节点出现点失稳,并引发周围节点顺次向下运动,这也是单层球面网壳结构遭遇局部初始破坏后倒塌的主要模式。     

某机场航站楼拱壳钢屋架稳定性分析

稳定性分析是网壳结构分析中的重要内容。文中网壳为拱梁与单层网壳形成的组合空间结构,结构形式较为复杂。利用有限元程序对该网壳进行了整体稳定分析。首先对该结构的两种模型进行了特征值屈曲分析,比较了两种模型的结果,预测结构的理论屈曲强度;然后考虑网壳的屈曲模态,考虑一致缺陷模态法并引入不同的结构初始缺陷,对结构进行非线性有限元全过程跟踪分析,初步了解该网壳结构失稳的一般规律。     

基于分段纤维模型的网壳结构极限承载力分析

针对采用有限元通用梁单元模拟杆件无法准确计算网壳结构塑性变形的发展情况,提出采用分段纤维模型模拟结构杆件以准确计算网壳结构的极限承载力。通过参数化分析,同时考虑计算效率与精度,确定了截面纤维与杆件积分段的合理划分数量。分别采用分段纤维模型与有限元软件通用梁单元模拟杆件计算网壳结构的极限承载力。计算结果表明,采用分段纤维模型可计算塑性变形的分布位置与发展程度,且可模拟杆件失稳,采用有限元软件通用梁单元建立计算模型将高估网壳结构的极限承载力。     

基于局部构形刚度的球面网壳失稳点预测及稳定性能优化

失稳破坏是网壳结构的主要破坏形式之一，从杆系结构失稳前的受力特性出发提出了网壳结构局部构形刚度参数的概念并构建了计算公式.通过对两个不同矢跨比K6型单层球面网壳的分析发现，在考虑网壳的初始几何缺陷后，结构的失稳点及失稳区域出现在局部构形刚度最小的节点及区域；加强局部构形刚度最小区域的杆件截面，在用钢量较少的情况下，可以有效提高网壳的稳定极限承载力.     

单层肋环型椭圆穹顶网壳整体稳定性分析

大跨网壳结构具有高度的几何非线性,结构设计一般由整体稳定性控制.本文以北京某单层肋环型椭圆穹顶网壳工程为背景,利用非线性有限元计算方法,对其整体稳定性进行了线性特征值屈曲、弹性屈曲以及弹塑性屈曲三方面的分析,并求得了它们的极限荷载.同时,还考察了钢材的屈服强度以及初始缺陷对极限荷载的影响,并将数值计算结果与拟壳法所得的设计临界荷载进行了比较,得出的结论对实际工程具有一定参考价值.     

均布荷载作用下单层球面网壳的弹塑性失稳模式研究

为揭示单层球面网壳结构在静力均布荷载作用下的失稳模式与失效机理,预测结构可能发生的破坏模式和承载能力,基于双重非线性全过程分析理论,采用ANSYS软件对典型球面网壳结构开展稳定性参数分析,系统考察结构的荷载-位移全过程曲线、塑性发展分布、屈曲模态等特征响应。并以典型算例为代表,从宏观和微观两个方面诠释了单层球面网壳结构可能发生的3种失稳模式:弹性失稳、弹塑性提前失稳、弹塑性失稳。指出弹塑性提前失稳是由于结构强度破坏诱发的一类承载力偏低的失稳模式,为提高结构安全性,在网壳稳定性设计阶段中应避免出现此类失稳模式。     

自平衡预应力球面网壳结构稳定性研究

针对单元拼装式自平衡预应力网壳的结构稳定性能尚不明确的研究现状,采用有限元分析的方法对一座大跨度球面网壳结构的稳定性能进行了研究。采用了Block-Lanczos法对网壳结构进行了特征值屈曲分析,并用一致缺陷模态法对网壳结构进行了非线性分析,从而获得大跨度自平衡预应力球面网壳结构稳定性能的规律,相关结论对新型网壳的工程设计具有指导意义。     

基于改进一致缺陷模态法的轴压圆柱薄壳极限承载力分析

对结构进行缺陷稳定分析的主要方法是一致缺陷模态法和随机缺陷模态法,一致缺陷模态法对薄壁圆柱壳结构进行非线性分析得到的极限承载力与其实际承载能力有一定差距,随机缺陷模态法则工作量很大。基于圆柱薄壳轴压失稳呈现出多模态屈曲的特点,本文提出改进一致缺陷模态法,通过对圆柱壳分别施加不同屈曲模态找到最不利缺陷分布形式。文中通过有限元法验证了改进一致缺陷模态法的可靠性,同时指出按照某一类高阶屈曲模态施加初始缺陷能得到薄壳的最不利极限承载力。     

施威德勒穹顶弹塑性稳定性能研究

通过有计划地对400余例实际尺寸的施威德勒型单层球面网壳进行双重非线性全过程分析,求得网壳的极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称以及考虑材料非线性等因素对网壳稳定性能的影响,较全面了解了施威德勒型单层球面网壳弹塑性稳定的规律性,为此类网壳结构的工程实践提供了理论依据和设计参考。并得出以下几点结论:(1)为保证网壳的安全性,网壳的极限承载力应由双重非线性全过程分析确定。(2)施威德勒穹顶属于缺陷敏感性结构。(3)竖向荷载不对称分布对网壳极限承载力影响较小。(4)工程设计中应适当考虑支承条件变化对网壳极限承载力的影响。     

三管梭形钢格构柱稳定极限承载力研究

本文应用大挠度弹塑性有限元法对三管梭形钢格构柱进行了极限承载力分析。研究的重点放在梭形柱初始缺陷的分布形式和幅值大小对柱破坏模式的影响,同时分析了柱长度、柱长细比、分肢长细比、隔板数量和厚度对极限承载力的贡献以及对破坏机理的影响。分析结果表明,初始缺陷的分布形式和幅值大小对柱破坏形式起到决定性的作用;当梭形柱的初始缺陷分布形式与一阶弹性屈曲模态一致时,柱极限承载力最低。随着柱整体长细比的增加或隔板厚度的增加其破坏形式从“S”形向单波形转化,不过,随着柱单肢长细比的增加其破坏形式从单波形向“S”形转化,二阶效应是梭形柱破坏的主要原因。本文对广州新机场四根梭形柱进行了极限承载力有限元分析,初始缺陷分布取与一阶弹性屈曲模态相同,缺陷幅值大小取为L/500,其计算结果与足尺寸试验结果吻合良好。     

在地震作用下初始缺陷对网壳结构动力稳定性能的影响

沿用静力稳定分析中的“一致缺陷模态法”,通过单层球壳及单层鞍壳两个算例,分析了网壳结构分别在竖向地震和水平地震作用下,初始缺陷对其动力稳定性能的影响.     

Imperfections in steel girder webs with and without perforations under patch loading

In this paper, the problem of stability of web plates with imperfections, subjected to patch load, is studied. The aim is to give some insights about the best way to take into account real imperfections in non-linear stability analyses of plates with and without perforations. In this context, the study is developed on the basis of the measured imperfections or numerically deriving the deformed model (theoretical imperfections). The influence of the patch load length, out-of-plane imperfection amplitude, dimension and position of the hole on stability behaviour and buckling strength are studied comparing some theoretical deformed configurations corresponding to different modal shapes. The results obtained with a three-dimensional model of the whole real beam with stiffeners, with experimentally measured imperfections, and each corresponding single web panel are compared and discussed obtaining some insights about the accuracy of the simplified (and conservative) model of the single panel.The main insights of this work are as follows. The deformed shape, corresponding to the first buckling mode, can be assumed as the initial configuration of the panels with and without holes to study post-critical behaviour until ultimate condition. The shape of the imperfection does not severely change the critical buckling stress. A longer patch load reduces the ultimate stress in the panel. An initial imperfection amplitude of less than 1% of the height of the panel does not reduce the ultimate load by more than about 5%.     

Selection of the initial geometrical imperfection in nonlinear FE analysis of cold-formed steel rack columns

This paper presents three methodologies to predict the load carrying capacity of cold formed steel rack columns via nonlinear finite element analysis (FEA). The column lengths are chosen in the range where the main failure is due to distortional buckling. It is demonstrated that for this range, to derive an accurate prediction of the ultimate load is more complex than for lengths where the main failure is local or global. The nonlinear analysis is carried out introducing an initial geometric imperfection on the upright. The three methodologies presented here allow for different imperfection shapes. The first one uses the critical mode shape (the first buckling mode). The second corresponds to an iterative methodology in which the shape that leads to the lowest ultimate load is used. These two first methodologies use exclusively the finite element method (FEM). The third one combines the finite element analysis with the generalised beam theory (GBT) in order to determine the modal participation of the FEM buckling mode and generate a particular combined geometric imperfection. To validate the predicted loads, the results of the three methodologies are compared with values obtained in experimental tests.     

考虑杆件失稳影响的网壳结构稳定性研究

为了解和掌握杆件失稳对网壳稳定性的影响,指出判别网壳结构杆件失稳的关键问题并提出杆件失稳的判别方法。采用有限元软件ANSYS及自编的前后处理程序对已有网壳试验进行对比分析,得到模型结构的全过程响应、杆件失稳的判断结果和杆件失稳对结构的影响,分析结果符合已有试验结果。并以Kiewitt8型球面网壳为例,分析网壳结构杆件失稳特征及在网壳结构中的传播规律。同时,在考虑杆件稳定性的基础上,考察材料非线性、初始几何缺陷以及杆件挠曲二阶效应和挠曲失稳对杆件稳定性和网壳稳定性的影响规律。结果表明提出的方法可以有效地判断网壳结构杆件的稳定性,杆件失稳及其传播将直接影响结构稳定性。