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K6型单层球面网壳结构非线性稳定性研究

张泽鑫  
【摘要】:随着单层球面网壳结构在我国的广泛应用,其跨度越来越大,厚度也越来越小,在外部荷载作用下,网壳结构经常会出现失稳破坏,因此对网壳结构稳定性的验算问题已成为设计工作中的关键性问题。但已有的研究对于K6型单层球面网壳结构的稳定性分析较少。本文以K6型单层球面网壳结构作为研究对象,通过对大量不同形式的网壳结构稳定性进行全过程分析,系统地研究结构的弹性稳定问题,并对结构的弹塑性稳定问题做了一些研究。主要的研究内容包括以下几个方面:(1)对本文用到的全过程分析时平衡路径的追踪算法、临界荷载的判别准则以及初始缺陷的施加方法进行了全面的介绍,并根据非线性增量有限元法推导了梁单元的几何非线性切线刚度矩阵。(2)运用有限元分析软件ANSYS12.0、采用APDL参数化设计语言对K6型单层球面网壳结构进行了几何非线性分析,得出了不同形式下网壳结构的荷载-位移全过程曲线,研究了杆件截面尺寸、矢跨比、跨度、初始缺陷、荷载分布形式以及边界支承条件等因素对弹性稳定性的影响。(3)采用有限分割有限单元法推导了梁单元在进行弹塑性分析时的刚度矩阵,并对K6型单层球面网壳结构进行了几何非线性和材料非线性的双重非线性分析,得出了不同跨度、不同矢跨比和不同杆件截面尺寸的网壳结构荷载-位移全过程曲线,与网壳结构只进行几何非线性分析的结果进行了对比,说明了对单层球面网壳结构进行弹塑性稳定性研究的必要。应用Matlab软件,通过回归分析的方法拟合K6型单层球面网壳弹塑性稳定承载力的实用计算公式。通过研究发现,跨度相同的网壳,杆件截面尺寸越大,其弹性稳定承载力越高,矢跨比越大,弹性稳定承载力越小;初始缺陷是影响K6型单层球面网壳结构弹性稳定性的主要因素,当初始缺陷比例为L/1000时,其稳定承载力为完整网壳的47%-63%;荷载不对称分布和边界支承条件对网壳的稳定性影响不大。对结构进行弹塑性分析后,其稳定承载力有了较大幅度的下降,说明材料非线性对结构的稳定承载力有很大的影响,只对网壳结构进行几何非线性全过程分析是不合理的;对于跨度、矢跨比相同的网壳,杆件的截面尺寸越大,塑性折减系数CP越小,弹塑性对结构稳定性的影响越大;跨度、截面尺寸相同的网壳,矢跨比越大,弹塑性的影响越明显;K6型单层球面网壳结构的塑性折减系数CP在0.416-0.638之间;本文也提出了K6型单层球面网壳弹塑性稳定承载力的实用计算公式。希望通过本文的分析结果,对K6型网壳结构的设计和施工有参考价值。


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