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大跨度单层三向球面网壳结构稳定性及抗倒塌分析

黄宝全  
【摘要】:在大跨空间结构中,单层球面网壳应用十分普遍。然而,以往对单层球面网壳结构的研究大部分集中在中小跨度,有关大跨度单层三向球面网壳结构的研究较少。有鉴于此,从广东省珠海市横琴珠海航海酒店附楼屋盖,即大跨度单层三向球面网壳结构(以下简称结构)形式出发,按照仅考虑几何非线性与同时考虑几何及材料(双重)非线性因素两种情况,对具有该种特定形式的网壳结构进行了一系列有限元仿真分析。着重考察了杆件截面形式及尺寸、荷载分布、初始缺陷以及支承条件等主要参变量对结构稳定性的影响规律,分析了决定结构稳定承载力的屈曲模态阶数,并讨论了结构在该阶屈曲模态下初始缺陷的合理取值,进而提出了处于弹塑性状态的结构稳定承载力计算公式,并用其估算了上述实例中屋盖结构的稳定承载力。此外,通过讨论结构在整跨均布荷载作用下“敏感构件”的分布,阐释了结构失效的诱因及倒塌机理,提出结构的整体倒塌破坏失效准则,继而通过加强局部杆件的方法,确定对于维持或增强结构的稳定性起重要作用的构件分布,并将该法应用于上述工程实例,提出了增强该屋盖结构抗倒塌性能的具体措施。现将研究取得的主要结论或成果概括如下:1.考虑初始缺陷值L/200与可变荷载均布于半跨的情况对结构稳定性影响较大,建议将该初始缺陷值与荷载工况作为结构稳定性分析的基本情形;支承条件与杆件形状对其稳定性影响较小。考虑结构的前10阶屈曲模态并采用初始缺陷值L/200进行分析,通常可得到结构的最小稳定承载力。结构采用初始缺陷值L/200得到的影响系数均值,较之按规范建议的初始缺陷值(L/300)得到的影响系数均值,约减少了10%。2.考虑双重非线性影响的结构稳定承载力约为仅考虑几何非线性影响的结构稳定承载力的56%。结构的弹塑性稳定承载力简化计算公式q_(cr)=0.91(?)-1.97(初始缺陷值=L/300)与q_(cr)=0.53(?)+5.38(初始缺陷值=L/200)。航海酒店屋盖考虑初始缺陷值为L/300与L/200模拟得到的稳定系数均大于安全系数,表明该结构具有良好的稳定性能。3.当结构单个区域发生8根及以上的高敏感杆件失效或6个及以上的高敏感节点失效,受损结构为失稳倒塌破坏。当结构多个区域发生8根及以上的高敏感杆件失效后或1个及以上的高敏感节点失效后,结构即出现失稳倒塌破坏。结构整体倒塌破坏时,塑性杆件比例小于0.93%。加强4-6根重要杆件或加强3-4个重要节点可以显著提高结构的抗倒塌性能。航海酒店屋盖在加强8根重要杆件后,其抗倒塌性能得到显著提升。


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