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基于Taft地震波作用下的杆件屈曲对K8型网壳结构稳定性影响分析

更新时间:2016-07-05

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网壳是一种与平板网架类似的空间杆系结构,系以杆件为基础,按一定规律组成网格,按壳体结构布置的空间架构,它兼具杆系结构和壳体结构的性质。近年来,单层球面网壳结构以其造型优美、承载能力好、覆盖空间大等优点成为应用最为广泛的空间结构形式之一。然而,随着生活质量的提升和人们对大空间要求的日益提高,网壳结构的稳定性问题成为研究的重点课题之一[1]-[6]。目前,对于单层球面网壳结构整体稳定性的研究较少有考虑杆件屈曲这一影响因素的[4]-[6]

从中国经济宏观环境来看,中美贸易摩擦对峙,短期内可能会对中国经济发展带来负面影响,如加剧通货紧缩的压力,增加人民币贬值的可能性,影响劳动力就业率等。

1 单层球面网壳结构计算模型

本文以跨度为36m,矢高为12m(矢跨比为1/3)的K8型单层球面网壳结构为例,网壳结构杆件均为φ114 mm×5 mm的无缝钢管,节点全部采用焊接空心球,规格为WS280×6,钢材采用Q345钢。本文节点缺陷的引入采用《空间网格结构技术规程》提供的方法,即以最低阶屈曲模态作为节点缺陷的分布形式,取网壳结构跨度的1/300为缺陷幅值。本文采用的K8型单层球面网壳结构节点总数为169个,单元总数为456个,杆件划分单元后节点总数为3361个,单元总数为3648个。网壳结构整体的约束条件为周边节点铰接约束。

本文采用有限元分析软件Ansys进行单层球面网壳结构的数值分析,杆件采用基于Timoshenko梁单元理论的beam188单元模拟,考虑其剪切变形影响,质量单元采用mass21单元模拟,质量集中在节点上。

2 地震波的输入

地震作用到单层球面网壳结构时与作用到一般的平面结构不同,需考虑三个方向的地震作用及其耦合作用,因此,本文研究单层球面网壳结构的动力稳定影响时同时考虑三向地震加速度值。本文采用Taft波的加速度记录结果,地震持续时间为20s,加速度时间间隔为0.02s,加速度分量最大峰值175.9Gal(1Gal=1cm/s2)。

3 考虑杆件屈曲的网壳结构动力稳定分析

为了研究杆件屈曲对网壳结构整体稳定性的影响,将K8型单层球面网壳结构模型的一径向杆件截面由φ114×5(mm×mm)削减至φ50×3(mm×mm)(以下简称“削弱杆件”),使其先于网壳结构整体失稳之前首先屈曲。杆件截面削减方式为,第一种情况只削减杆件1的截面至φ50×3(mm×mm),使网壳结构只有一根杆件先于网壳结构整体失稳之前首先屈曲;第二种情况同时削减杆件1和杆件2的截面φ50×3(mm×mm),使网壳结构存在两根杆件先于网壳结构整体失稳之前首先屈曲;第三种情况则同时削弱杆件1、杆件2和杆件3,使网壳结构在整体失稳之前三根杆件发生屈曲,以此类推,直至第六种情况为网壳结构一径向杆件1、杆件2、杆件3、杆件4、杆件5、杆件6六根杆件截面同时削减至φ50×3(mm×mm),此时,使网壳结构一径向六根杆件会先于网壳结构整体失稳之前首先屈曲。以这种方式对网壳结构杆件截面进行削减,是为了研究不同位置处的不同根数的杆件屈曲对网壳结构整体稳定性的影响。图1-图6分别给出以上六种削弱杆件截面情况时失稳节点的时程位移曲线,其中横轴表示地震持续时间,纵轴表示节点位移。

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图1 杆件1削弱时,失稳点位移时程曲线

图1给出只削减杆件1的截面至φ50×3(mm×mm)时不同地震加速度情况下的失稳节点的时程位移曲线,网壳结构失稳节点为节点1。图1(a)为地震加速度为350Gal时节点1的时程位移曲线,由图可以看出,此时网壳结构未失稳。而当地震加速度增大到400Gal时,节点1的时程位移曲线如图1(b),由图1(b)可以看出,当地震持续到8.20s左右时,节点1的位移开始偏离平衡位置,这说明网壳结构已经失稳。因此,只削减杆件1的截面时,网壳结构失稳时的地震加速度大概在350Gal到400Gal之间。

图2 杆件1、2削弱时,失稳点位移时程曲线

图2给出同时削减杆件1和杆件2的截面至φ50×3(mm×mm)时不同地震加速度情况下的失稳节点的时程位移曲线。与情况1仅削减杆件1的截面不同,同时削减杆件1和杆件2的截面时,网壳结构失稳节点发生在节点2处。当地震加速度为300Gal时节点的时程位移曲线如图2(a),此时,节点位移并未偏离平衡位置,而当地震加速度增大到350Gal时,当地震持续到7.10s左右时,节点2的位移开始偏离平衡位置,此时,网壳结构已失稳。同时削减杆件1和杆件2的截面时,网壳结构失稳时的地震加速度大概取在300Gal到350Gal之间。

以上分析结果表明,同时削弱杆件1和杆件2的截面与只削减杆件1的截面情况时失稳节点位置不同,网壳结构失稳时的地震加速度不同,同时削弱杆件1和杆件2时的网壳结构失稳时的地震加速度小于只削减杆件1的截面时的地震加速度,此外,两种情况的失稳发生时间不同,同时削弱杆件1和杆件2时的网壳结构失稳时间早于只削减杆件1的截面时的失稳时间。

利用同样的方法分析其他四种情况,同时削减杆件1、杆件2和杆件3的截面时,失稳节点时程位移曲线如图3所示。

此时的失稳节点依然为节点2,当地震加速度增大到300Gal时,地震持续到5.50s左右时,网壳结构失稳,此时,网壳结构失稳时的地震加速度大概取在250Gal到300Gal之间。同时削减杆件1、杆件2、杆件3、杆件4和杆件5时,网壳结构失稳点为节点3,当地震加速度增大到250Gal时,地震持续2.70s左右时,网壳结构开始失稳,此时,网壳结构失稳时的地震加速度大概取在200Gal到250Gal之间。当同时削减杆件1、杆件2、杆件3、杆件4、杆件5和杆件6时,网壳结构失稳点仍为节点3,当地震加速度增大到250Gal时,地震持续1.40s左右时,网壳结构开始失稳,此时,网壳结构失稳时的地震加速度大概取在200Gal到250Gal之间。

图3 杆件1、2、3削弱时,失稳点位移时程曲线

以上分析结果表明,削减不同位置处的不同根数的杆件对网壳结构整体稳定性的影响不同。随着被削弱截面杆件根数的增多,网壳结构失稳时的地震加速度逐渐降低,地震持续时间逐渐缩短,而且网壳结构失稳节点会发生转移,但失稳节点均为网壳结构外环第二圈的径向节点。

本文以《空间网格结构技术规程》提供的方法考虑节点缺陷,以多段梁法模拟杆件缺陷,通过削弱杆件截面使其首先屈曲,利用非线性有限元法,研究在Taft地震波作用下网壳结构一径向不同位置不同根数的杆件屈曲对网壳结构整体稳定性的影响。就本文所研究的K8型单层球面网壳结构而言,网壳结构一径向的杆件1-杆件6逐根增加削减截面时,网壳结构失稳时的地震加速度逐渐降低,网壳结构失稳时地震作用的持续时间逐渐缩短,此外,削减不同位置处不同根数的杆件截面会使网壳结构失稳节点发生转移,但均为网壳结构外环第二圈的径向节点。这表明,在Taft地震波作用下,本文所研究的网壳结构杆件屈曲对网壳结构外环第二圈的失稳最为敏感。

图4 杆件1、2、3、4削弱时,失稳点位移时程曲线

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图5 杆件1、2、3、4、5削弱时,失稳点位移时程曲线

图6 杆件1、2、3、4、5、6削弱时,失稳点位移时程曲线

失稳节点为节点2,当地震加速度增大到300Gal时,地震持续到6.00s左右时,网壳结构失稳,此时,网壳结构失稳时的地震加速度大概取在250Gal到300Gal之间。同时削减杆件1、杆件2、杆件3和杆件4时,失稳节点时程位移曲线如图4所示。

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[3] 路维,孙建恒,孙超.K8型单层球面网壳非线性动力稳定分析[J].河北农业大学学报,2009,32(2):116-120.

影像学检查 包括超声、核素显像、CT、磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)等,超声检查目前是评估甲状腺结节的首选方法。

[2] 浙江大学建筑工程学院,浙江大学建筑设计研究院.空间结构[M].北京:中国计划出版社,2003.

[1] 沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性[M].北京:科学出版社,1999.

参考文献

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[5] 王琼,邓华,黄莉.杆件初弯曲对弦支穹顶静动力承载力的影响[J].空间结构,2013,19(4):18-24.

[6] 曹正罡,范峰,沈世钊.单层球面网壳的弹塑性稳定性[J].土木工程学报,2006,39(10).

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[8] 马腾飞,赵叔丽,李红梅,孙建恒.杆件屈曲对单层球面网壳稳定性能的影响研究[J].河北农业大学学报,2013,36(5):113-117.

马斌,马腾飞,魏昕,周晖
《北华航天工业学院学报》2018年第1期文献

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