動力荷載作用下單層球面網(wǎng)殼破壞模式探討.pdf

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1、王秀麗等：動力荷載作用下單層球面網(wǎng)殼破壞模式探討33動力荷載作用下單層球面網(wǎng)殼破壞模式探討王秀麗，羅斌(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州730050)【摘要】應(yīng)用參數(shù)化方法建模，考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性與材料非線性，研究了K8型網(wǎng)殼隨參數(shù)變化下自振頻率變化的特點。采用基于結(jié)構(gòu)響應(yīng)的全過程分析方法，利用軟件Ansys，綜合宏觀與微觀響應(yīng)指標，對K8網(wǎng)殼進行不同失跨比的時程分析，探求其在強震下的破壞模式?！娟P(guān)鍵詞】K8網(wǎng)殼；強震作用；矢跨比；動力失穩(wěn)；強度破壞【中圖分類號】TU311．3；TU391【文獻標識碼】B【文章編號】1001—6864(2011)O7—0033—03網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因其用

2、鋼量少、造型優(yōu)美、受力合理等特點，慮單元的大變形、大轉(zhuǎn)角；阻尼假定為Rayleigh阻尼，阻尼比成為大跨度建筑結(jié)構(gòu)中具有廣闊發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)形式之取0．02；材料為Q235鋼，楊氏模量為206kN／mm，泊松比為一。結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞特點不僅與地震波的大小及0．3，采用考慮鮑辛格效應(yīng)的隨動強化Mises理想彈塑性材隨時間的變化規(guī)律有關(guān)，而且還取決于結(jié)構(gòu)本身的自振特料，屈服強度235N／ram2。研究了K8網(wǎng)殼的自振特性、及在性，所以，了解結(jié)構(gòu)的自振特性是結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)和破壞特點地震作用下的破壞模式。的基礎(chǔ)。此外，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下可能發(fā)生由幾2結(jié)構(gòu)模態(tài)分析何非線性起主導(dǎo)作

3、用而使結(jié)構(gòu)無法維持穩(wěn)定振動狀態(tài)的動采用子空間迭代法，分別對40m跨度失跨比為1／3、1／力失穩(wěn)破壞，還可能會發(fā)生由塑性變形過度發(fā)展而導(dǎo)致的5、1／7的K8型網(wǎng)殼提取前4o階振型進行分析。分析結(jié)構(gòu)強度破壞。所以，研究單層球面K8網(wǎng)殼在強震下的破壞模表明：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)自振頻率密集，在地震響應(yīng)計算時，應(yīng)考慮式對完善網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失效機理理論框架具有重要意義。各階陣型間的相關(guān)性，采用振型分解反應(yīng)譜法計算時，應(yīng)至1有限元模型建立少選取前2O階振型進行組合，否則，計算結(jié)果不穩(wěn)定。隨著本文以40m跨度的K8型網(wǎng)殼為研究對象，采用工程中矢跨比減小，網(wǎng)殼自振頻率也隨之減小。網(wǎng)殼振型呈現(xiàn)水常用的失跨比1／3

4、、1／5、l／7；結(jié)構(gòu)周邊固支，均布質(zhì)量為平振型與豎向振型參差出現(xiàn)，且水平振型較多，第一、二階200kg／mz，桿件截面選取qfl02×3的圓鋼管，利用有限元軟振型均為水平振型。件ANSYS，桿件采用梁單元(Beam188單元)，計算分析中考表1不考慮自重幾何剛度影響前10階頻率Hz考慮自重引起的幾何剛度影響后，結(jié)構(gòu)自振頻率減小，[K]=[]+[]，[]為初始應(yīng)力剛度矩陣。為結(jié)果精周期延長。對于網(wǎng)殼這類幾何非線性比較明顯的結(jié)構(gòu)，恒確，在進行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時應(yīng)考慮重力的初始影響。荷載自重(包括自重)對動力荷載下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)可能有顯著3結(jié)構(gòu)時程分析的影響，即P一△效應(yīng)。網(wǎng)殼模態(tài)分析屬于

5、結(jié)構(gòu)在重力荷載3．1分析原則與方法作用下的大變形模態(tài)分析，在分析之前，需先求出結(jié)構(gòu)在重利用通用有限元軟件ANSYS，采用EI～Centro(1940)地力作用下變形后的剛度矩陣[]，然后進行模態(tài)分析，即震波，持時10s，同時考慮三項地震作用(：l，：z按1：0．85：[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(51068019)；甘肅省建設(shè)科技攻關(guān)項目(JK2008—17)低溫建筑技術(shù)2011年第7期(總第157期)0．65調(diào)幅)，結(jié)合多項響應(yīng)指標對球面網(wǎng)殼進行全過程分的節(jié)點位移、總變形能及總動能均呈線性變化，未發(fā)生動力析：通過逐級加大地震波幅值，獲得對應(yīng)荷載幅值下結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)的特征。當荷

6、載幅值為600gal時，結(jié)構(gòu)在地震作用下各項響應(yīng)指標。各項響應(yīng)指標分別為最大節(jié)點位移、進塑的節(jié)點最大總位移為0．34m，此時結(jié)構(gòu)的總變形能為性桿件比例、結(jié)構(gòu)相對塑性應(yīng)變以及結(jié)構(gòu)的總變形能和總69267．4J，結(jié)構(gòu)的總動能為7704．84J；而當荷載幅值增加到動能。700gal時，結(jié)構(gòu)的節(jié)點最大位移突增至0．78m，此時結(jié)構(gòu)的3．2球面網(wǎng)殼動力失穩(wěn)破壞總變形能為101584J，總動能為8993．86J，此時位移時程曲選取跨度為40m，失跨比為1／7，桿件截面均為~p102×線發(fā)散，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。破壞前結(jié)構(gòu)剛度無明顯削弱，僅有3。圖1一圖3分別為該球面網(wǎng)殼隨地震荷載幅值增加，結(jié)26

7、％的桿件進入塑性，且此時結(jié)構(gòu)桿件最大相對應(yīng)變僅為一構(gòu)節(jié)點位移、進入塑性桿件比例、結(jié)構(gòu)總能量的響應(yīng)。從圖1O．42，可見其塑性發(fā)展也較淺，其破壞特征為明顯的動力失中可看出：從300gal到600gal之間隨著荷載幅值增加，結(jié)構(gòu)穩(wěn)破壞。j四馨越1IiiI時間／t最大節(jié)點位移，m能量，c圖l最大節(jié)點位移時程曲線圖2荷載幅值一結(jié)構(gòu)最大節(jié)點位移圖3荷載幅值一結(jié)構(gòu)總能量曲線3．3動力失穩(wěn)與強度綜合破壞位移突然劇增，且進入塑性桿件比例已達49％，且結(jié)構(gòu)最大選取跨度為40m，失跨比為1／5，桿件截面仍為~o