异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析.pdf
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1、第 卷第期 年月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J X i a nU n i v o fA r c h&T e c h(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)V o l N o F e b 收稿日期:修回日期:基金项目:亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题(Z B )第一作者:马宏伟(),男,博士,副教授,主要从事钢结构和组合结构研究E m a i l:h wm a s c u t e d u c nD O I:j 异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析马宏伟,徐健聪,吴文斌,莫振忠(华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 ;广东廷旭建筑
2、工程有限公司,广东 广州 )摘要:单层网壳结构属于缺陷敏感结构,整体稳定问题是结构设计的关键单层网壳结构可以采用空间相贯节点,有必要对节点进行三维实体有限元分析,在此基础上研究节点的力学性能本文总结了单层网壳结构整体稳定分析的方法,归纳了空间相贯节点三维实体有限元分析方法;针对异形单层网壳结构,研究了结构的静力性能、结构网格与建筑形状对结构承载能力的影响,确定了结构的弹性稳定承载力和弹塑性稳定承载力;对空间相贯节点进行了有限元分析,得到节点处应力的分布情况,并研究了节点隐蔽部位有无焊缝对节点力学性能的影响结果表明:异形单层网壳的曲率变化和结构网格对关键部位处杆件受力影响较大;稳定承载力对单层网
3、壳结构起控制作用,对此异形单层网壳进行弹塑性稳定分析,结构安全系数达到;隐蔽部位焊缝对节点承载力的影响较大,设置隐蔽部位焊缝后,节点处各杆件的最大应力可减小 以上关键词:单层网壳结构;整体稳定;相贯节点;有限元分析中图分类号:TU 文献标志码:A文章编号:()S t u d yo no v e r a l l s t a b i l i t yo f s p e c i a l s h a p e ds i n g l e l a y e r r e t i c u l a t e ds h e l l s t r u c t u r ea n d i t s t u b u l a r j
4、o i n t a n a l y s i sMAH o n g w e i,XUJ i a n c o n g,WU W e n b i n,MOZ h e n z h o n g(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dT r a n s p o r t a t i o n,S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u a n g z h o u ,C h i n a;G u a n g d o n gT i n g x uC o n s t r u
5、 c t i o nE n g i n e e r i n gC o,L t d,G u a n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h es i n g l e l a y e r r e t i c u l a t e ds h e l l s t r u c t u r e i sad e f e c t s e n s i t i v es t r u c t u r e,a n dt h eo v e r a l l s t a b i l i t y i st h ek e yt os t r u c t u r a l d e s i g
6、 n M u l t i p l a n a r t u b u l a r j o i n t sc a nb eu s e d i ns i n g l e l a y e r r e t i c u l a t e ds h e l l s t r u c t u r e s,s o i t i sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h r e e d i m e n s i o n a ls o l i df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ej o i n t s,a n ds t u d y
7、t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h e j o i n t so nt h i sb a s i s I nt h i sp a p e r,t h eo v e r a l l s t a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o do f s i n g l e l a y e rr e t i c u l a t e ds h e l l s t r u c t u r ea n dt h et h r e e d i m e n s i o n a ls o l i df i n i t
8、ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o do fm u l t i p l a n a rt u b u l a rj o i n t sa r es u mm a r i z e d F o r t h e s p e c i a l s h a p e ds i n g l e l a y e r r e t i c u l a t e ds h e l l s t r u c t u r e,t h e s t a t i cp e r f o r m a n c eo f t h e s t r u c t u r e,t h e i n f l
9、u e n c eo fs t r u c t u r a lg r i da n db u i l d i n gs h a p eo nt h es t r u c t u r a lb e a r i n gc a p a c i t ya r es t u d i e d,a n dt h ee l a s t i cs t a b i l i t yb e a r i n gc a p a c i t ya n d t h ee l a s t o p l a s t i c s t a b i l i t yb e a r i n gc a p a c i t yo f t h e
10、 s t r u c t u r ea r ed e t e r m i n e d T h e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so fm u l t i p l a n a r t u b u l a r j o i n t s i sc a r r i e do u t t oo b t a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f t h e j o i n t s,a n dt h ei n f l u e n c eo f t h eh i d d e np a r t o f t h
11、e j o i n t sw i t ho rw i t h o u tw e l d so n t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h e j o i n t s i s s t u d i e d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ec u r v a t u r ec h a n g ea n ds t r u c t u r em e s ho f t h es p e c i a l s h a p e ds i n g l e l a y e rr e t i c u l a t
12、 e ds h e l lh a v eag r e a t i n f l u e n c eo n t h e s t r e s s o f k e ym e m b e r s,a n d t h e s t a b i l i t yb e a r i n gc a p a c i t yp l a y s a c o n t r o l l i n g r o l e i n t h es i n g l e l a y e rr e t i c u l a t e ds h e l ls t r u c t u r e T h ee l a s t o p l a s t i c
13、s t a b i l i t ya n a l y s i so ft h es p e c i a l s h a p e ds i n g l e l a y e rr e t i c u l a t e ds h e l ls h o w st h a tt h es t r u c t u r a ls a f e t yf a c t o rr e a c h e s T h ew e l di nt h eh i d d e np a r th a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h eb e a r i n gc a p a c i t yo
14、f t h e j o i n t,s oa f t e rs e t t i n gt h ew e l d i nt h eh i d d e np a r t,t h em a x i m u ms t r e s so fe a c hm e m b e ro fo n e j o i n t c a nb er e d u c e db ym o r e t h a n K e yw o r d s:s i n g l e l a y e r r e t i c u l a t e ds h e l l s t r u c t u r e;o v e r a l l s t a b
15、i l i t y;t u b u l a r j o i n t;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s单层网壳结构可实现特殊的建筑曲面造型,并形成跨度很大的空间,近年来在公共建筑中得到了广泛应用从受力角度分析,单层网壳结构的杆件以受压为主,同时,单层网壳结构对初始西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷缺陷敏感,很小的初始缺陷也可能使结构的稳定承载力下降较多,因此,稳定性问题在单层网壳结构设计中起控制作用 国内外学者对单层网壳的稳定性能进行了研究,B r u n o等采用特征缺陷模态法对单层网壳进行了整体和局部稳定性分析,研究了节点缺陷幅值、分布模
16、式对结构稳定性能的影 响,提 出 了 模 拟 节 点 缺 陷 的 方 法Y u等对超过 个单层球面网壳进行了弹塑性稳定分析,结果表明:单层球面网壳对初始几何缺陷较为敏感,不同的几何缺陷分布模式可能导致不同的结构失稳模式,并提出了稳定极限承载力的计算公式蔡健等对 例单层网壳进行了非线性稳定分析,研究了初始几何缺陷、结构受力状态对结构整体稳定性能的影响薛雪对某马蹄莲形 单层网壳 结构进行了 整体 稳 定 分析,结果表明:同时考虑几何、材料非线性后结构的弹塑性稳定承载力相比弹性稳定承载力下降明显单层网壳结构可以采用空间相贯节点,节点的强度和刚度直接影响整体结构的稳定性和安全性N d i a等对 种空
17、间KK型相贯节点进行了有限元分析,提出了评估节点破坏模式的准则,给出了KK型相贯节点刚度的计算公式G h o等对 组管桁架相贯搭接节点进行了有限元分析,总结了腹杆轴压下的四种节点破坏模式由于现场施工和预拼装的限制,在相贯节点的制作过程中可能不会对隐蔽部位进行焊接王鹏等 对空间隔板焊接X形圆钢管相贯节点的受力性能进行了试验研究和有限元分析,分析了隐蔽部位有无设置焊缝对节点性能的影响杨文伟等 对个K形搭接节点足尺试件进行了拟静力试验,研究了K形搭接节点内有无设置隐藏焊缝时的试件变形、破坏模式等规范 仅给出了几种典型的相贯节点处杆件承载力的计算公式,不能考虑节点处应力大小与分布情况对于复杂的空间相贯
18、节点,有必要对其进行三维实体有限元分析,得到节点处应力的分布情况,同时研究隐蔽部位焊缝对节点性能的影响针对某异形单层网壳结构,本文利用 D S软件进行了强度分析和线性稳定分析,利用AN S Y S软件进行了弹性稳定分析、以及同时考虑几何、材料非线性的弹塑性稳定分析,研究了初始缺陷、几何非线性、材料非线性对其整体稳定性能的影响选取该单层网壳中的典型空间三杆相交的相贯节点,在AN S Y S软件中进行了三维实体有限元分析,研究了节点处的应力大小与分布情况,并与规范验算结果进行了对比,并分析隐蔽部位焊缝对其承载力的影响 理论方法 单层网壳结构整体稳定分析方法单层网壳结构的稳定性能研究方法从初期的“拟
19、壳法”发展成了如今的离散化有限元分析方法,有限元法可求出结构的整体刚度矩阵,引入边界条件后求得各节点位移,然后推出结构的稳定承载力相比“拟壳法”,有限元法的计算结果更加精确,可对网壳结构进行荷载位移全过程曲线的跟踪,得到结构的稳定承载力、刚度、强度等性能的变化过程单层网壳结构属于缺陷敏感结构,在进行稳定分析时应考虑初始缺陷的影响关于缺陷的模拟,一般采 用 随 机 缺 陷 模 态 法 或 一 致 缺 陷 模 态法 随机缺陷模态法认为网壳中各节点的缺陷是随机分布的,可以近似认为节点的安装误差呈正态分布,此方法较为真实地反映了结构的实际缺陷,但程序编制繁琐、计算量非常大、实际工程设计中难以应用一致缺
20、陷模态法认为按照最低阶稳定模态确定的各节点初始位移分布,对结构的承载力有最不利的影响,一致缺陷模态法争取一次性求得结构的稳定极限承载力,极大减小了计算量,且可靠程度足够高,规程 也建议采用此方法确定结构的初始缺陷因此,本文采用一致缺陷模态法来确定初始缺陷的分布模式对于缺陷的最大值,按照规程 建议取为网壳跨度的/结构的线性稳定分析忽略了几何、材料非线性的影响,用于求解结构发生第一类失稳的临界荷载,分析结构的线性稳定模态,为非线性稳定分析提供临界荷载参考值和初始缺陷分布模式网壳结构的非线性包括几何非线性和材料非线性由于单层网壳跨度大、柔性高的特点,在进行整体稳定分析时,结构往往会产生很大的变形,几
21、何非线性的影响尤为突出另外,当网壳结构的跨度较小、杆件截面较大时,结构的整体刚度较大,材料非线性对结构稳定承载力的影响也相当明显因此,几何非线性和材料非线性在单层网壳结构的整体稳定分析中都不容忽视当利用AN S Y S进行单层网壳结构整体稳定第期马宏伟,等:异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析分析时,可用软件自带的B e a m 单元对杆件进行模拟,B e a m 单元是基于T i m o s h e n k o理论的二节点三维线性梁单元,适用于分析细长的梁结构单层网壳结构是一种空间梁系结构,计算时可把连接节 点设置 为 刚 接,不 考 虑 节 点 刚 度 的影响进行单层网壳结构整体
22、稳定分析可按以下步骤进行:建立好结构的有限元分析模型,对结构施加恒载与活载的标准值组合,进行线性整体稳定分析,求得结构的稳定模态和稳定系数;对结构施加初始缺陷,缺陷的分布模式取为第阶线性稳定模态的位移分布模式,缺陷的最大值取为结构跨度的/;根据线性稳定分析结果将荷载放大相应倍数,设置合理的荷载子步,激活大变形效应,定义材料的本构关系;选取位移控制点,进行非线性整体稳定分析,得到其荷载位移全过程曲线,位移控制点建议选取结构跨中节点或线性稳定分析中位移最大节点 空间相贯节点分析方法空间KK型相贯节点中连续的管为主管,另外有根支管与主管相贯焊接,构造如图所示在主管的一侧,被搭接支管B 与主管连接,同
23、时,搭接支管C 分别与主管A、被搭接支管B 连接,就位后在相贯部位施焊,在主管的另一侧做法相同搭接支管内被搭接支管与主管相交位置为隐蔽部位在实际施工中,各个杆件通过胎架进行就位,再进行焊接,因此,隐蔽部位焊接较为困难,一般不进行焊接图相贯节点构造示意图F i g S t r u c t u r a l d i a g r a mo f t u b u l a r j o i n t 节点承载力的规范计算方法对于直接焊接的空间KK型节点,当支管以承受轴力为主时,节点处支管的承载力设计值可按规范 进行计算,支管所受轴力不应超过节点处支管的承载力设计值对于空间KK型搭接节点,节点 处 受 拉、受 压
24、 支 管 的 承 载 力 设 计 值Nt K K、Nc K K可按以下公式计算Nt KKKKNt K()Nc KKKKNc K()Nt K q Atf()Nc K q Acf()式中:Nt K、Nc K分别为平面K型节点受拉、受压支管承载力设计值;KK为空间调整系数,对于非全搭接节点,KK取 ;q为系数,qOv Ov;为支管与主管外径之比;为支管与主管壁厚之比;为系数,D/t;Ov为搭接率,Ovq/p ;q为 焊 缝 长 度;p为 相 贯 线长度 节点有限元分析方法对于复杂的空间相贯节点,可建立三维实体有限元模型进行力学性能分析对于网格划分,靠近节点区域的网格需进行加密,保证计算精度,远离节点
25、区域的网格不加密焊缝通过定义管与管之间的接触关系进行模拟,对于隐蔽部位有焊缝与无焊缝两种节点,前者定义隐蔽部位主支管接触关系为绑定接触(b o n d e dc o n t a c t),后者定义为粗糙接触(r o u g hc o n t a c t)绑定接触使接触面之间不存在切向和法向的相对位移,可以传递不同方向的力粗糙接触使接触面之间不存在切向的相对位移,只能传递压力不能传递拉力然后,定义材料的本构关系,并施加边界条件,杆件荷载取不利工况、采用面荷载形式进行加载,并进行受力分析当采用有限元软件AN S Y S进行分析时,杆件可采用S O L I D 单元进行模拟S O L I D 单元用
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