动力荷载作用下单层球面网壳破坏模式探讨.pdf

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1、王秀丽等：动力荷载作用下单层球面网壳破坏模式探讨33动力荷载作用下单层球面网壳破坏模式探讨王秀丽，罗斌(兰州理工大学土木工程学院，兰州730050)【摘要】应用参数化方法建模，考虑结构几何非线性与材料非线性，研究了K8型网壳随参数变化下自振频率变化的特点。采用基于结构响应的全过程分析方法，利用软件Ansys，综合宏观与微观响应指标，对K8网壳进行不同失跨比的时程分析，探求其在强震下的破坏模式。【关键词】K8网壳；强震作用；矢跨比；动力失稳；强度破坏【中图分类号】TU311．3；TU391【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2011)O7—0033—03网壳结构因其用

2、钢量少、造型优美、受力合理等特点，虑单元的大变形、大转角；阻尼假定为Rayleigh阻尼，阻尼比成为大跨度建筑结构中具有广阔发展前景的结构形式之取0．02；材料为Q235钢，杨氏模量为206kN／mm，泊松比为一。结构在地震作用下的破坏特点不仅与地震波的大小及0．3，采用考虑鲍辛格效应的随动强化Mises理想弹塑性材随时间的变化规律有关，而且还取决于结构本身的自振特料，屈服强度235N／ram2。研究了K8网壳的自振特性、及在性，所以，了解结构的自振特性是结构动力响应和破坏特点地震作用下的破坏模式。的基础。此外，网壳结构在动力荷载作用下可能发生由几2结构模态分析何非线性起主导作

3、用而使结构无法维持稳定振动状态的动采用子空间迭代法，分别对40m跨度失跨比为1／3、1／力失稳破坏，还可能会发生由塑性变形过度发展而导致的5、1／7的K8型网壳提取前4o阶振型进行分析。分析结构强度破坏。所以，研究单层球面K8网壳在强震下的破坏模表明：网壳结构自振频率密集，在地震响应计算时，应考虑式对完善网壳结构失效机理理论框架具有重要意义。各阶阵型间的相关性，采用振型分解反应谱法计算时，应至1有限元模型建立少选取前2O阶振型进行组合，否则，计算结果不稳定。随着本文以40m跨度的K8型网壳为研究对象，采用工程中矢跨比减小，网壳自振频率也随之减小。网壳振型呈现水常用的失跨比1／3

4、、1／5、l／7；结构周边固支，均布质量为平振型与竖向振型参差出现，且水平振型较多，第一、二阶200kg／mz，杆件截面选取qfl02×3的圆钢管，利用有限元软振型均为水平振型。件ANSYS，杆件采用梁单元(Beam188单元)，计算分析中考表1不考虑自重几何刚度影响前10阶频率Hz考虑自重引起的几何刚度影响后，结构自振频率减小，[K]=[]+[]，[]为初始应力刚度矩阵。为结果精周期延长。对于网壳这类几何非线性比较明显的结构，恒确，在进行结构模态分析时应考虑重力的初始影响。荷载自重(包括自重)对动力荷载下结构的反应可能有显著3结构时程分析的影响，即P一△效应。网壳模态分析属于

5、结构在重力荷载3．1分析原则与方法作用下的大变形模态分析，在分析之前，需先求出结构在重利用通用有限元软件ANSYS，采用EI～Centro(1940)地力作用下变形后的刚度矩阵[]，然后进行模态分析，即震波，持时10s，同时考虑三项地震作用(：l，：z按1：0．85：[基金项目]国家自然科学基金项目(51068019)；甘肃省建设科技攻关项目(JK2008—17)低温建筑技术2011年第7期(总第157期)0．65调幅)，结合多项响应指标对球面网壳进行全过程分的节点位移、总变形能及总动能均呈线性变化，未发生动力析：通过逐级加大地震波幅值，获得对应荷载幅值下结构的失稳的特征。当荷

6、载幅值为600gal时，结构在地震作用下各项响应指标。各项响应指标分别为最大节点位移、进塑的节点最大总位移为0．34m，此时结构的总变形能为性杆件比例、结构相对塑性应变以及结构的总变形能和总69267．4J，结构的总动能为7704．84J；而当荷载幅值增加到动能。700gal时，结构的节点最大位移突增至0．78m，此时结构的3．2球面网壳动力失稳破坏总变形能为101584J，总动能为8993．86J，此时位移时程曲选取跨度为40m，失跨比为1／7，杆件截面均为~p102×线发散，结构失稳倒塌。破坏前结构刚度无明显削弱，仅有3。图1一图3分别为该球面网壳随地震荷载幅值增加，结26

7、％的杆件进入塑性，且此时结构杆件最大相对应变仅为一构节点位移、进入塑性杆件比例、结构总能量的响应。从图1O．42，可见其塑性发展也较浅，其破坏特征为明显的动力失中可看出：从300gal到600gal之间随着荷载幅值增加，结构稳破坏。j四馨越1IiiI时间／t最大节点位移，m能量，c图l最大节点位移时程曲线图2荷载幅值一结构最大节点位移图3荷载幅值一结构总能量曲线3．3动力失稳与强度综合破坏位移突然剧增，且进入塑性杆件比例已达49％，且结构最大选取跨度为40m，失跨比为1／5，杆件截面仍为~o