单层球面网壳强震失效分析中考虑节点刚度影响的简化模型研究

【摘要】：网壳结构作为一种较为常见的结构形式,多用于高铁站、飞机场、体育场等,从上个世纪开始有关网壳结构的研究以及应用迅猛发展。如今对于单层球面网壳的研究,大多数还采用传统的梁单元进行建模分析。梁单元网壳模型具有建模简单、计算速度快,而且计算结果更为精确的优势。但是,传统梁单元模型虽在静力荷载作用下计算偏差较小,但在动力荷载作用下,传统的梁单元模型却存在有较大的误差,若采用的梁单元模型将不利于结构的安全性。因此,壳单元精细化模型作为一种结果更精确的模型,越来越受到当今学者的关注。但是,壳单元的精细化模型虽可以得到较为精确地结果,由于其建模复杂,网格划分数目巨大,导致其从建模到运算十分的耗时。因此,众学者开始建立结果精确、耗时又短的简化模型。根据以上思路本文对K6(3)单层球面网壳进行强震失效分析并取得以下结果:(1)通过建立跨径为21m的K6(3)网壳的梁单元模型与壳单元精细化模型,分析两模型在静力荷载以及强震作用下的承载能力,变形情况以及受力性能。计算表明,在静力荷载作用下壳单元精细化模型的承载能力略大于梁单元模型,但在强震作用下梁单元模型承载能力大于壳单元精细化模型,且两种模型的临界失效荷载偏差较大。(2)对壳单元精细化模型进行更进一步的研究,建立了五组不同球节点壁厚与五组不同球节点外径的精细化模型,发现壳单元精细化模型在强震作用下的承载能力随球节点与杆件壁厚比的增大有先增后减的趋势,分析表明球节点与杆件壁厚比的取值宜在2~3之间;而壳单元精细化模型在强震作用下的承载能力随球节点与杆件外径比的增大而减小,分析表明球节点与杆件外径比的取值宜在2.6~3之间。(3)由于壳单元精细化模型运算时间较长,本文在梁单元模型上的基础上建立了简化模型。该简化模型是通过在节点附近建立等效节点区域,针对改变等效节点区的轴向刚度、弯曲刚度和同时改变轴向刚度与弯曲刚度的三种情况,分别建立了8组、9组和8组模型,通过把每一个简化模型的竖向位移时程曲线与壳单元精细化模型的竖向位移曲线进行对比,发现了一个竖向位移时程曲线拟合程度最好的简化模型,证明了这种建立简化模型方法的可行性,同时可将这种建立简化模型的方法进行推广应用。