單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)隨機(jī)缺陷模態(tài)法研究pdf

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1、文章編號(hào)：1007-6743（2006）03-0011-04單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)隨機(jī)缺陷模態(tài)法研究范志飛，曾國(guó)華，董聰（清華大學(xué)土木工程系，北京100084）摘要：隨機(jī)缺陷模態(tài)法是分析網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)缺陷的常川方法，傳統(tǒng)的方法以節(jié)點(diǎn)位移為隨機(jī)變量進(jìn)行缺陷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析，為了使理論上更加合理及能夠考慮初應(yīng)力的影響，本文選取結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)（桿件長(zhǎng)度、鋼管外徑、彈性模量、鋼管厚度）為基本的隨機(jī)變量。根據(jù)這種思想，通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)了桿件長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力的影響最為顯著，擬合了網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)極限承載力的概率分布，確定了規(guī)范規(guī)定的可靠度指標(biāo)下的

2、臨界荷載標(biāo)準(zhǔn)值。關(guān)鍵詞：網(wǎng)売結(jié)構(gòu)；隨機(jī)缺陷；初應(yīng)力中圖分類(lèi)號(hào)：TU356文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A單層網(wǎng)殼的穩(wěn)定性驗(yàn)算已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題，由于單層M売足缺陷敏感性結(jié)構(gòu)，初始缺陷對(duì)M殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響仍然是FI前學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的重要課題。實(shí)際的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)不可避免地具冇各種初始缺陷，括桿件的初彎仙、對(duì)節(jié)點(diǎn)的初偏心、節(jié)點(diǎn)的位置偏差和殘余應(yīng)力等。缺陷可以分為兩類(lèi)：笫一類(lèi)為節(jié)點(diǎn)缺陷，是指在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)約束是彈性約朿而非理想的無(wú)摩擦鉸，從而引起力不通過(guò)剛心ifij形成偏心荷載，影響結(jié)構(gòu)的剛度和敁大承載力；第二類(lèi)為兒何缺陷，指

3、部分（或全部）結(jié)構(gòu)與原設(shè)計(jì)有偏差，將改變網(wǎng)殼的初始兒何形狀從而大大影響M殼的屈曲行為。研究指出，將模擬缺陷結(jié)構(gòu)的屈曲荷載與原理想結(jié)構(gòu)相比，笫二類(lèi)缺陷的變化更為敏感，而笫一類(lèi)缺陷對(duì)其影響不大。缺陷分析的典型方法有：-?致缺陷模態(tài)法和隨機(jī)缺陷模態(tài)法。本文將對(duì)隨機(jī)缺陷模態(tài)法作進(jìn)一步研究。1隨機(jī)缺陷模態(tài)法的新思路1.1初應(yīng)力對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響確定結(jié)構(gòu)的臨界荷載就足尋找使結(jié)構(gòu)兒何非線(xiàn)性方程的切線(xiàn)剛度矩陣成為奇兄時(shí)的蒔載臨界值Per。對(duì)于U.L.列式，即求解以下特征值問(wèn)題。tK=0（1）-K?中tK=tKl+tKnl（2）

4、tKL=BlTtDtB^dVe11(3)tKnl=,BnlTSiBrJdV(4)式屮！對(duì)應(yīng)于臨界位Pcr的時(shí)刻；tBl和tBnl!線(xiàn)性應(yīng)變和非線(xiàn)性應(yīng)變與位移的轉(zhuǎn)換矩陣；tS!Cauchy應(yīng)力矩陣，所有這些矩陣和向量的元素都是對(duì)應(yīng)于時(shí)刻，并且參考于t位形。從式（4）中可以看到結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。因此，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定臨界荷載和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的初應(yīng)力密切相關(guān)，在計(jì)算缺陷對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響吋不能忽略結(jié)構(gòu)的初i、V:力效％。1.2隨機(jī)變暈的確定隨機(jī)缺陷模態(tài)法把節(jié)點(diǎn)的幾何偏差作為基木的隨機(jī)變?對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，抓住了影響承載

5、力的主要缺陷因素，獲得了很好的效果。然而我們也注意到：隨機(jī)缺陷模態(tài)法所采用的節(jié)點(diǎn)的幾何偏差嚴(yán)格說(shuō)不應(yīng)作為一種缺陷W素，而是缺陷的反映。缺陷的影響足初應(yīng)力引起的，最后蛍測(cè)到的幾何構(gòu)形足初應(yīng)力作用下已經(jīng)A平衡后的幾何構(gòu)形。初始缺陷影響的研究應(yīng)從缺陷的實(shí)質(zhì)上加以分析：首先要明確網(wǎng)克結(jié)構(gòu)缺陷是指網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最基木的幾何參數(shù)的變異，丼.hL這些最基本的幾何參數(shù)要保證彼此之間獨(dú)立無(wú)關(guān)；K次要明確缺陷的產(chǎn)生主要是由干桿件的制造誤差和裝配誤差引起的，制造誤差包括桿件長(zhǎng)度、鋼管檗厚、鋼管外徑和彈性模量等基本的幾何參數(shù)產(chǎn)生的變異。這收稿日

6、期:2006-05-09作者簡(jiǎn)介：范志飛（1980-），男，江商豐城人，碩士研究生，從琪結(jié)構(gòu)工程研究。?1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.12河北建筑科技學(xué)院學(xué)報(bào)2006年樣，我們就確定了以桿件長(zhǎng)度I、鋼管壁厚t、鋼膂外徑D和彈性模雖E為基本的隨機(jī)變雖生成隨機(jī)缺陥，分析結(jié)構(gòu)考慮隨機(jī)缺陷影響的穩(wěn)定極限承載力。在這些基本變量中，山于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)足多次超靜記結(jié)構(gòu)，桿件長(zhǎng)度Ii的擾動(dòng)不僅改變結(jié)構(gòu)的幾何形狀I(lǐng)flj且還

7、會(huì)使網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生初應(yīng)力，這種初應(yīng)力必然使結(jié)構(gòu)的極限承載力有所降低。根據(jù)以上分析，下而的分析應(yīng)著重考察桿件長(zhǎng)度h的擾動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生的影響。2數(shù)值計(jì)算結(jié)果K6型M殼的網(wǎng)格布置如圖1所東，跨度為18m,矢髙為1.15m,網(wǎng)殼的桿件為180V5的鋼管，A=27.49cm2,lx=21.6cm4,ly=1053cm4,lz=1053cm4,E=210GPa。網(wǎng)売承受的荷載轉(zhuǎn)化為豎向節(jié)點(diǎn)集中荷載，周邊節(jié)點(diǎn)為剛接支承。冇限元計(jì)算模型中，桿件均采用兩節(jié)點(diǎn)的Timoshenko單元，毎根樸件劃分為三個(gè)單元，考慮兒何非線(xiàn)性，采用大

8、變形、小應(yīng)變假定。非線(xiàn)性求解采用基于Newton-Raphson法的弧長(zhǎng)法，采用力收斂準(zhǔn)則。2.1初應(yīng)力對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響為考察初應(yīng)力對(duì)網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)針對(duì)桿件長(zhǎng)度I以均值為?。?！為設(shè)計(jì)值），變異系數(shù)為V=0.002進(jìn)行隨機(jī)擾動(dòng)，分別比較不考慮初應(yīng)力影響和考慮初疢力影響的穩(wěn)定承載力的區(qū)別?？梢钥吹结槍?duì)木例，考慮初應(yīng)力影響的極限荷載F=350.9k