某單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性研究及探究.doc

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1、某單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性研究及探摘？要本文針對目前中國規(guī)范《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中提到的網(wǎng)殼的穩(wěn)定性計算的三種方法進(jìn)行了比較分析和研究。并且通過對一個實際工程中的單層網(wǎng)殼進(jìn)行研究，分析和探討了影響單層網(wǎng)殼穩(wěn)定性的若干參數(shù)，得到了一些有價值的設(shè)計經(jīng)驗供參考。關(guān)鍵詞單層網(wǎng)殼；整體穩(wěn)定；非線性屈曲；幾何非線性;材料非線性中圖分類號TU356文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號1673-9671-(2012)072-0092-02網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)雖然有大的跨度，但由于其高跨比小，整體結(jié)構(gòu)在外荷載作用下表現(xiàn)出強(qiáng)烈的大位移非線性效應(yīng)，在計算構(gòu)件呈受壓狀態(tài)，典型的破壞形式是失穩(wěn)破壞。這種破壞的突發(fā)性，

2、使得損失更加嚴(yán)重。網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)破壞時鋼材實際承受的應(yīng)力水平很低，常常僅為30MPa-40MPa,遠(yuǎn)未充分發(fā)揮鋼材的強(qiáng)度優(yōu)勢，這說明網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定研究具有非常重要的意義。分析中必須考慮這種非線性效應(yīng)。又由于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的大部分網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)從幾何學(xué)原理和能量原理的觀點來看，都可以歸結(jié)為一種轉(zhuǎn)移，是處于高位能的結(jié)構(gòu)由平衡的臨界狀態(tài)向低位能的穩(wěn)定平衡狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。發(fā)生平衡轉(zhuǎn)移的那個瞬間狀態(tài)，就是臨界狀態(tài)。1）從變形角度來說，失穩(wěn)在實際上也可以被認(rèn)為是一種從彈性變形到幾何變形的變形轉(zhuǎn)移。2）從能量的角度來說，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)就是儲存在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變能形式發(fā)生轉(zhuǎn)換。就網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時

3、部分薄膜應(yīng)變能向彎曲應(yīng)變能轉(zhuǎn)變。一般單層網(wǎng)殼均應(yīng)進(jìn)行整體穩(wěn)定性計算。根據(jù)之前的研究和實際工程經(jīng)驗總結(jié)，影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素有曲面形狀、網(wǎng)格密度、荷載分布、邊界條件、節(jié)點剛度、結(jié)構(gòu)剛度、非線性效應(yīng)、初始缺陷等。由于篇幅有限，本文主要研究了非線性效應(yīng)的對網(wǎng)殼整體穩(wěn)定的影響，非線性效應(yīng)又可分為幾何非線性和材料非線性。1工程概況圖1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式財富廣場商貿(mào)城穹頂網(wǎng)殼工程鋼結(jié)構(gòu)圖紙設(shè)計使用年限為50年，建筑安全等級為二級。其主要技術(shù)參數(shù)為：1）網(wǎng)殼平面尺寸：D=46m2）網(wǎng)殼失高：f=12m3）支承方式：周邊多點支承4）網(wǎng)殼總重：56噸2規(guī)范上單層網(wǎng)殼整體穩(wěn)定性計算方法總

4、結(jié)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于網(wǎng)殼的整體穩(wěn)定性計算提供了三種方法，整理如下:1）用考慮幾何非線性的有限元法進(jìn)行荷載一位移全過程分析，分析中假定材料保持為彈性。對于常見的網(wǎng)殼形式，用此方法進(jìn)行計算時，安全系數(shù)K取4.2。2）用考慮幾何非線性的有限元法進(jìn)行荷載一位移全過程分析，考慮材料彈塑性。即同時考慮材料非線性和幾何非線性。用此方法進(jìn)行計算時，安全系數(shù)K取2。1）對于某些跨度較小的網(wǎng)殼或?qū)W(wǎng)殼穩(wěn)定性進(jìn)行初步計算時按照規(guī)范附錄E的規(guī)定進(jìn)行計算。其中，用方法1）2）進(jìn)行全過程分析采用的迭代方程為:KtAU（i）=Ft+At-N式中：Kt—t時刻結(jié)構(gòu)的切線剛度矩陣；△U（i）

5、-當(dāng)前位移的迭代增量；Ft+At—t+At時刻外部所施加的節(jié)點荷載向量；N—t+At時刻相應(yīng)的桿件節(jié)點內(nèi)力向量。比較這三種方法，其中方法2）考慮彈塑性的全過程分析方法是最接近于實際情況的分析方法。規(guī)范也規(guī)定，對于大型和形狀復(fù)雜的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)宜采用考慮彈塑性的全過程分析方法。3財富廣場單層球面網(wǎng)殼的非線性屈曲分析用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行荷載一位移全過程分析,通過激活弧長法將屈曲擴(kuò)展至后屈曲范圍。用上面提到的方法1）對該單層網(wǎng)殼進(jìn)行分析，僅考慮幾何非線性影響，用一致缺陷法模擬初始缺陷影響。分析中假定材料保持為彈性。得出的荷載一位移曲線如圖2所示，安全系數(shù)K為13o圖2方法

6、1）得出的荷載一位移曲線用上面提到的方法2）對該單層網(wǎng)殼進(jìn)行分析，同時考慮幾何非線性和材料非線性影響，用一致缺陷法模擬初始缺陷影響。鋼材的本構(gòu)關(guān)系如圖3所示。得岀的荷載一位移曲線如圖4所示，安圖3鋼材本構(gòu)關(guān)系圖4方法2）得出的荷載一位移曲線全系數(shù)K為3.7。4結(jié)果比較與分析兩種方法算出來的安全系數(shù)K均滿足規(guī)范要求，本工程的穩(wěn)定驗算符合要求。但是通過比較兩種分析方法的結(jié)果可以看出，本工程的材料非線性對結(jié)果的影響還是很大的。兩種方法得出的荷載位■移曲線有很大的不同，計算出來的安全系數(shù)K也相差很大。殼體結(jié)構(gòu)主要通過薄膜內(nèi)力承受外荷載，網(wǎng)殼在失穩(wěn)前主要處于薄膜應(yīng)力和薄膜變形狀態(tài)

7、。而失穩(wěn)后失穩(wěn)部位的網(wǎng)殼由原來的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)闃O大的幾何變位，由薄膜應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鷳?yīng)力狀態(tài)。因此，幾何非線性的影響十分顯著。同時，材料非線性也會影響網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。而兩類非線性效應(yīng)的影響程度與結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)跨度有關(guān)。從結(jié)構(gòu)形式看，對單層網(wǎng)殼，幾何非線性的影響非常大，材料非線性的影響則較??；從網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的跨度看，幾何非線性的影響隨著跨度的增加而明顯增大，材料非線性的影響則隨跨度的減小而增大。本工程屬于跨度較小的網(wǎng)殼，材料非線性影響不可忽略。圖5-7從左到右為用方法2）進(jìn)行分析在加載的過程中,隨著荷載的增加，桿件應(yīng)力變化過程?？梢钥磳鐚τ?/p>