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单层球面网壳结构考虑不同初始缺陷和温度等因素影响的非线性稳定分析

郝华文  
【摘要】:网壳结构由于自重轻,外形美观,可以塑造的空间大的优势往往是国内和国外建筑师优先选择的结构形式。可是网壳结构由于其跨度越来越大,受力中的稳定性问题逐渐成为工程设计人员必须要考虑的问题,单层球面网壳结构的稳定性要求更为突出。 本文作者采用了国际先进的通用大型有限元分析软件ANSYS,编制了一套分析网壳结构稳定性能的命令流,对单层球面网壳结构的模型建立和有限元分析进行了系统的研究,从而研究出了该网壳结构在初始缺陷、温度等影响因子作用下的全过程荷载-位移曲线,从而可以进一步研究出网壳结构的承载力、强度、刚度和全过程的受力特性。 然后,在不同初始缺陷分布载荷都加以考虑的情况下,通过改变分析参数(如跨度、温度),进行单层球面网壳结构的非线性稳定性分析,总结出了上述因子对网壳屈曲形态、极限承载力、破坏模式等分析结果的影响。研究发现:(1)初始缺陷对单层球面网壳结构的稳定性有重要影响;(2)在考虑材料非线性这一条件后,网壳结构的稳定承载力出现了明显的下降,说明材料非线性是很有必要加以考虑的;(3)不对称荷载这一因子对单层球面网壳结构的弹塑性稳定承载力并没有造成显著影响;(4)在对网壳结构屈曲形态进行系统分析后发现,主肋节点的稳定性无论是理想结构还是缺陷结构都比较差。对理想结构来说,破坏点通常发生在从圈外算起的第二到第四环上。对缺陷结构来说,其破坏点往往发生在从网壳中心算起的第一和第二环上。此外,网格密度对单层网壳结构的模态分析结果的影响并不明显。 本文还考虑了温度因素对单层球面网壳结构稳定性的影响。在考虑了不同负温差条件下对网壳结构进行静力分析,弹性稳定性分析和弹塑性稳定性分析。得到的研究结果如下:(1)温度变化这一因子的影响主要集中在靠近支座位置的单层球面网壳结构杆件的轴力。对于越是远离支座的网壳杆件,温度变化的影响往往越弱;(2)负温差的增大会降低单层球面网壳结构稳定承载力;(3)在材料非线性的条件下,单层球面网壳结构的弹塑性稳定性承载能力与弹性稳定性承载能力会降低。说明实际问题中必须考虑材料非线性对单层球面网壳的影响,否则网壳结构的设计结果偏不安全;(4)由于负温差绝对值逐渐增大,对于考虑弹性和弹塑性的单层球面网壳结构的分析结果,都会出现承载力小于零的情况,并且由于负温差进一步增大,该网壳承载力对应的绝对值也会越来越大。造成这一结果的原因是,在温度的影响下,单层球面网壳结构会在局部位置发生向下的位移。所以,在出现负温差较大的天气时,建议工程人员通过适当方法在单层球面网壳结构的主要节点处施加一定的向上的力(需要通过结构计算得出),以抵消负温差产生的不良影响。


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