三维空间钢结构高级分析理论与应用

【摘要】： 与传统的钢结构设计相比，本文试图通过一次性结构计算完成钢结构的强度验算、整体稳定分析和局部稳定分析。在本文推导的非线性有限元理论基础上编制了《西建大三维空间钢结构高级分析程序(XJDAAST-H)》软件。此程序部分通过了陕西省教育厅委托建设部钢结构协会主持的鉴定，并利用此程序完成了陕西省自然博物馆球幕影院单层网壳的结构设计工作，最后还完成了两个相关结构试验。 本文在国内首次系统地开展了三维空间钢结构高级分析理论的研究。在弹塑性区分析理论方面进行了深入的探讨，得到了令人满意的应力分析结果，提出了在整体结构分析时考虑钢构件局部屈曲影响的设计方法，从而开创性地放弃了板件宽厚比规定的限制。在本文理论推导基础上开发了钢结构高级分析软件(XJDAAST)，与国内同类钢结构应用软件相比，在软件的理论分析深度方面有所创新。经算例比较和实际已建工程的检验，证明了理论推导和软件编制的正确性。 在理论分析和软件编制部分，本文立足于三维空间整体结构，从薄壁构件理论出发，主要做了以下五方面的工作。 (1)本文从更新Lagrange构形的虚位移原理出发，首次分别以拉、压和纯弯构件控制微分方程的解作为形函数，推导了三维空间钢构件的切线刚度矩阵。推导中，基于三维空间薄壁构件理论，考虑截面翘曲的影响，以Bernoulli平截面弯曲假定及Vlasov扭转理论为依据，突破了以往用插值函数作为形函数不能反映构件真实变形的弊端。 (2)本文首次在三维空间整体结构分析中考虑了各向同性损伤本构关系，并采用Von Mises屈服条件、Zeigler混合硬化模型和相关联的流动法则，建立起了三维空间钢结构的弹、塑性区分析模型。 (3)提出了在整体结构分析时考虑钢构件局部屈曲影响的设计方法，改变了以往通过宽厚比限制值控制局部失稳的设计方法。该方法首先将钢构件划分为空间板壳单元，再通过子结构法组装成三维空间薄壁构件参与空间整体计算。在半刚性连接节点分析中，采用Frye和Morris多项式模型模拟节点的半刚性性能，进而推导了16结点相对自由度壳元的弹塑性双重非线性单元刚度矩阵。通过内部消元法将内部自由度凝聚掉，而外部自由度则通过保持Bernoulli平截面弯曲假定和Vlasov的翘曲假定进行协调处理。 (4)基于本文的理论工作，编制了大型钢结构分析程序(XJDAAST)，该软件较国外的大型分析软件(ANSYS、SUP2000等)具有专业性强，使用方便的特点，充分考虑了钢构件的特性。与国内的钢结构应用软件相比，则具有较新的理论基础。为验证本文理论及程序的正确性，计 摘要 一 算了大量例题，经与Ansys计算结果的比较表明：本文理论正确、程序可靠、运行稳定。本软 件能够跟踪分析任意空间结构中各种反弯点和极限荷载、并能够考虑结构的缺陷分布影响、求 解三维空间钢结构屈曲模态和振动模态。进而分析钢构件任意截面、任意点的应力分布及塑性 屈服状态，绘制截面的应力分布云图及循环荷载下的滞回曲线，绘制钢构件的局部屈曲变形图。 （5）最后，利用本文软件对“陕西省自然博物馆”这一直径 37．400米的单层球幕影院同 壳进行了设计分析，该工程业已完工，得到了业主的肯定。在该项目的设计中还进行了两个相 关结构试验，一是网壳模型的风压分布风洞试验，在西北工业大学低速风洞试验室进行。二是 配合该项目节点构造要求所进行的毅形节点极限承载力试验，在西安建筑科技大学结构试验室 一 进行。 本文的理论研究和程序编制部分属于结构非线性有限元分析的范畴，试图通过精确的非线 性有限元分析，对钢结构进行辅助设计工作。其内容涵盖了杆单元和空间壳元两种单元形式， 在编程上应用了面向对象设计的 VisualC＋十语言，方便了图形显示和菜单设计，在图形显示方 面应用了开发者自己研制的图形显示系统，程序的运行以菜单引导、图形显示输入、输出。实 践证明，本文所开发的《西建大三维空间钢结构高级分析程序（XJDAAST－H）》软件，可供服S 构研究、设计人员，用来进行三维空间大型复杂钢结构的高级分析。较一般商用分析软件具有 明显的实用性，对结构设计有较强的辅助作用，减轻了结构分析工作量，如果与现有的绘图软 件（STS等）连接，可以达到实用绘图目的。