某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析.pdf

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1、某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析陈庆烈(同济大学建筑工程系，上海200092)摘要：整体稳定分析问题一直是球面网壳设计中的关键问题。理论分析和工程实践表明：网壳结构的设计通常受其稳定性控制。网壳结构的整体稳定分析主要有三种：屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析。本文借助有限元分析软件ANsYs，以某单层肋环型球面网壳为代表，对其进行屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析，同时深入研究不同缺陷模式对整体稳定性能的影响。研究发现，单层球面网壳前六阶屈曲模态的整体稳定系数相接近，且出现相

2、邻的重模态现象；最低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的弹性整体稳定承载力影响最大，但对其弹塑性整体稳定承载力的影响未必最大，故有必要考察相邻的较低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的影响。关键词：单层肋环形球面网壳；整体稳定；极限承栽力；有限元；缺陷模式中图分类号：TU399文献标志码：B文章编号：1672—4011(2016)03一0087—02DOI：10．3969／_iIissn．1672—4011．2016．03．045l有限元建模某单层球面网壳的直径为30m，矢高20m(网壳底部标高o．000m，网壳顶点标高20

3、．000m)。周边边界点为支座节点，且为固定铰支座。荷载标准值为：均布恒载q=1．0kN／m2(不包括结构自重)；均布活载p=O．7kN／o。钢材种类选用Q235。为简化分析，本网壳采用同一杆件截面形式，160×5，径向等分为12份，每根杆件长约1．54m，环向等分为30份，每根杆件长约0．32～3．14m。各杆件选用BEAMl88单元，且每个杆件为一个杆单元。杆件各节点理想刚接，且不考虑节点形式，支座节点理想铰接。在弹性整体稳定分析时，假定材料为无限弹性；在弹塑性整体稳定分析时，假定材料为理想弹塑性⋯。

4、当网壳受恒载和活载作用时，其稳定性承载力以恒载与活载的标准组合来衡量，根据JG盯一2010《网壳结构技术规程》呤1(以下简称《技术规程》)中大量算例分析表明：荷载的不对称分布(实际计算中取活载的半跨分布)对球面网壳的稳定性承载力无不利影响。因此，对于半球面网壳，整体稳定分析的荷载组合取为：1．Ox恒载+1．0×满跨活载。且外荷载可按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在该节点上。同时，结构自重恒载由软件自动生成。据此建立ANSYS有限元模型如图1所示。2有限元分析2．1屈曲分析通过ANsYS的特征值

5、屈曲分析可知，该网壳前六阶屈作者简介：陈庆烈(199l一)，男，浙江温州人，在读硕士研究生。研究方向：钢结构与木结构。曲模态均为波状整体失稳，且出现较多的重模态，即相邻两阶屈曲模态的稳定系数相同的情况。从前六阶屈曲模态可知，重模态的变形为相互对称的整体变形。图2分别列出了第一阶、第三阶和第五阶屈曲模态下的单层球面网壳变形图，其整体稳定系数分别为6．675、7．685和8．784。图1单层肋环形球面网壳的ANSYS有限元模型霸⑨⑨(a)第一阶(b)第三阶(c)第五阶圈2单层肋环形球面网壳的屈曲模态五2弹性整

6、体稳定分析在结构整体稳定分析中，初始几何缺陷对各类网壳的稳定性承载力均有较大的影响，应在计算中加以考虑。《技术规程>4．3．3条文说明指出：当初始几何缺陷按最低阶屈曲模态分布时，求得的稳定性承载力可能是最不利值。该方法即是一致缺陷模态法，也是本文采用的缺陷引入方法。，曹正罡p-通过大量算例指出，无论弹性还是弹塑性网壳，初始缺陷较小的变化将导致临界荷载产生较大的降低，随初始缺陷值的进一步增大，临界荷载的降低幅度逐渐减弱，当缺陷值达到们00时，弹塑性临界荷载变化趋于稳定，而弹性网壳可能会出现“畸变”现象，临界

7、承载力呈现出上升趋势。所以，本文选取初始缺陷最大值为跨度的l／300，即94．3姗。利用ANSYs对单层网壳结构作弹性整体稳定分析，可获得不同初始缺陷条件下的整体稳定分析参数和荷载一位移曲线，分别见表1和图3。襄l弹性整体稳定分析参数·87·V01．42，No．3cpI·J遣材第42卷第3期June，2016sfc矗l蚬n8Mfz口匠^缸纪r如如2016年6月16uuU14000。∥12000么r／loood．∥一一态缺i80004Ooo／二二篡篡誓2000200O200400600800l(100Lz，

8、mm圈3弹性整体稳定分析的荷载一位移曲线由表1可知，弹性整体稳定分析时，带第一阶缺陷的网壳结构的极限承载力最低，说明第一阶缺陷模式对网壳结构的弹性整体稳定影响最为显著。网壳结构的整体缺陷敏感性卢定义为：卢=(A。一A嚣)／A。。，A。和A焉分别为完善结构(无初始缺陷结构)和有缺陷结构的非线性整体稳定临界荷载或整体稳定系数，经分析，完善结构的整体稳定系数jL=为29．85。缺陷敏感性JB越大，说明结构对缺陷越敏感，即初始缺陷对结