网壳结构的稳定性.ppt

,*,*,SSRC,主讲人：支旭东,哈尔滨工业大学,第三章 网壳结构,03-1,专题,：,网壳结构的稳定性,内容概要,一、概述,二、网壳结构全过程分析方法及实例分析,三、单层球面网壳的稳定性,四、规程关于网壳结构稳定性验算的规定及说明,1,网壳失稳现象的分类：即整体失稳和局部失稳,整体失稳是几乎整个结构都出现偏离平衡位置而发生很大几何变位的一种失稳现象,单根杆件失稳是网壳中经常发生的局部失稳现象，点失稳则是另一种局部失稳现象。网壳的整体失稳往往是从局部失稳开始并逐渐形成的,一、概述,2,1.,非线性连续化理论方法,(,拟壳法,),仅对少数特定的壳体,(,例如球面壳,),才能得出较实用的公式,无法反映实际网壳结构的不均匀构造和各向异性的特点,无法考虑不同荷载分布的影响,一、概述,稳定性分析是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题,*,网壳稳定性评估的方法,空间网格结构技术规程,JGJ7-2010,中,4.3.1,条：单层网壳以及厚度小于跨度,1/50,的双层网壳均应进行稳定性计算。,3,2.,模型试验方法,耗费时间，并且成本昂贵,无法考虑不同结构参数的影响,3.,非线性有限元,荷载,-,位移全过程分析,可以精确地反映结构性能随荷载变化的全貌,可以分析不同类型、不同网格、不同结构参数和 不同荷载分布等多种情况,对工程设计人员而言比较复杂，较难掌握,*,网壳稳定性评估的方法,4,二、球面网壳全过程分析实例,球壳结构简图,图中数字表示网壳节点发生跳跃屈曲的顺序,5,网壳的全过程曲线,（节点,1-6,）,6,7,这些全过程曲线形态变化丰富，曲线上每个临界点对应以某个节点为主的跳跃屈曲（见节点,2,全过程）,8,网壳在加载过程中若干时刻的位移形态,屈曲范围从一个主肋节点开始向周围逐渐扩散，最后在网壳上形成一个很大的凹陷,9,网壳具有不同初始缺陷,(,形状偏差,),时的全过程曲线,(,假设初始形状偏差与网壳的一阶屈曲模态吻合,),1.,随着初始缺陷的增加，全过程曲线的变化具有明显规律性。,2.,球壳对初始几何缺陷非常敏感，当,R=6cm(L/830),临界荷载降低到完善壳的,55%,。,10,*,单层球面网壳稳定性分析方案,网格划分形式：,Kiewitt(K-8,K-6);,短程线型、肋环斜杆型,跨度：,L,40,，,50,，,60,，,70m,矢跨比,:,f/L=1/5,l/6,1/7,l/8,.,截面尺寸：,采用四套不同大小的杆件截面,(,按设计选择截面,),初始几何缺陷：,完善壳、具有初始缺陷,(,最大安装偏差,R=L/1000-L/100),，采用一致缺陷模态法,不对称荷载分布：,p/g=0,1/4,1/2,.,(,g,满跨均布恒荷载,;,p,半跨均布活荷载,),三、单层球面网壳的稳定性,11,满跨均布荷载下,K8,型,网壳的全过程曲线,点线,带缺陷,实线,完善壳,12,球面网壳的屈曲模态,球面网壳的屈曲多数情况下表现为壳面上一个或若干个,局部凹陷,的形式，这种凹陷从某一节点的跳跃屈曲开始，凹陷的范围逐渐扩大。,Kiewitt,网壳屈曲从,主肋节点,开始；肋环斜杆型一般从,第三环,(,自外圈算起,),上某一结点开始；短程线型网壳则从,三角形球面,上某一结点开始,13,不同荷载分布对,球面网壳稳定性的影响,p/g=0,1/4,1/2,三条曲线几乎完全重合,14,初始缺陷大小对球面网壳稳定性的影响,(,r=0,3,6,10,20,30,40,50,60cm,),不同初始缺陷时的全过程曲线,Kiewitt,网壳,(,D=60m,),畸变结构,15,开始阶段，极限荷载随缺陷增大迅速下降，至缺陷为,20cm(L/300),时达最小值，此时极限荷载为完善网壳的,50,左右。缺陷再进一步增大时，网壳己严更偏离原来的球面形状，受力也偏离薄膜内力主导状态，变成了一种,“,畸形结构,”,。,事实上，当初始缺陷超过一定限度后，这种具有过大初始缺陷的网壳刚度很小，位移发展很快，尽管荷载可能保持上升趋势，但在工程上已没有意义。,L/500L/300,的,安装偏差定为球面,网壳可以接受的,最大允许缺陷；,把理想网壳极限,荷载的,50,定为,实际网壳的极限,承载力,16,l.,球面网壳均表现出极佳空间工作性能，因而荷载的不对称分布对它们的极限荷载几乎没有影响。因而实际应用时，荷载按恒荷,+,活荷满跨均布考虑。,2.,从实用角度，似乎可以将,L/500L/300,的安装偏差定为球面网壳可以接受的最大允许缺陷；同时把理想网壳极限荷载的,50,定为实际网壳的极限承载力。,空间网格结构技术规程,JGJ7-2010,中,4.3.4,条：进行网壳全过程分析求得的第一个临界点处的荷载值，可作为网壳的稳定极限承载力。,17,采用回归分析的方法为球面网壳的稳定验算推导一个适当的拟合公式，借鉴壳体稳定性的线弹性解析公式：,r,球面的曲率半径,(m),；,B,e,网壳的等效薄膜刚度,(kN/m),；,D,e,网壳的等效抗弯刚度,(kN,m);,k,待定拟合系数,q,cr,稳定极限,承载力,18,平均值,/95%,保证率的取值,(,针对理想网壳、线弹性材料计算结果,),k,=2.34/2.18,K8,型网壳,k,=2.52/2.27,K6,型网壳,k,=2.24/2.07,短程线型网壳,k,=2.30/2.17,肋环斜杆型网壳,对理想网壳的系数,K,（回归得到）,平均取值为,2.17,综合考虑各种因素（折减系数为,0.5,，主要为初始缺陷影响,），最后建议对各类实际球面网壳的极限承载力统一按如下公式计算：,19,q,ks,稳定容许,承载力,适用范围：跨度小于,50m,空间网格结构技术规程,JGJ7-2010,中,4.3.4,条：网壳稳定容许承载力,q,ks,（荷载取标准值）应等于网壳稳定极限承载力,q,cr,除以安全系数,K,。当按弹塑性全过程分析时，安全系数,K,可取为,2.0,；当按弹性全过程分析时，安全系数,K,可取,4.2,。,20,四、其它关于网壳结构稳定性验算问题的说明,1.,单层网壳和厚度较小的双层网壳均存在总体失稳,(,包括局部壳面失稳,),的可能性；设计某些单层网壳时，稳定性还可能起控制作用，因而对这些网壳应进行稳定性计算。,*,对鞍形网壳来说，建议采用结构整体刚度验算来代替复杂的稳定性验算。,2.,结构荷载,-,位移全过程分析可以把结构强度、稳定乃至刚度等性能的整个变化历程表示得十分清楚，因而可以从最精确的意义上来研究结构的稳定性问题。,仅考虑几何非线性的荷载,-,位移全过程分析方法已相当成熟。因而现在完全有可能要求对实际大型网壳结构进行考虑几何非线性的荷载,-,位移全过程分析，在此基础上，确定其稳定性承载力。,*,如果全过程分析中还要进一步考虑材料的弹塑性能，方法就繁复得多，目前还不宜对多数工程提出这一要求。,21,3.,设网壳受恒载,g,和活载,q,作用，且其稳定性承载力以,(,g,+,q,),来衡量，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，对四边支承的柱面网壳当其长宽比上,L/B,1.2,时，活载的半跨分布对网壳稳定性承载力有一定影响。对椭圆抛物面网壳和两端支承的圆柱面网壳，这种影响则较大，应在计算中考虑,(,参加规程,4.3.3,条,),。,4.,网壳缺陷包括节点位置的安装偏差、杆件的初弯曲、杆什对节点的偏心等，后面两项是与杆件有关的缺陷。,在分析网壳稳定性时有一个前提，即网壳所有杆件在强度设计阶段是都已经过设计计算保证了强度和稳定性的。这样，与杆件有关的缺陷对网壳总体稳定性,(,包括局部壳面失稳问题,),的影响就自然地被限制在一定范围内，因而此处主要考虑了网壳初始几何缺陷,(,节点位置偏差,),对稳定性的影响。,*,至于缺陷的最大值，按理应采用施工中的容许最大安装偏差；但大量实例表明，当缺陷达到跨度的,1/300,左右时，其影响才充分展现；从偏于安全角度考虑，规程中规定了,“,按网壳跨度的,1/300,”,作为理论计算的取值,22,5.,“,安全系数,”,K,的确定应考虑到下列因素：,(1),荷载等外部作用和结构抗力的不确定性可能带来的不利影响（一般考虑此项影响的系数大致为,1.6,）；,(2),计算中未考虑材料弹塑性可能带来的不利影响（迄今进行的一些算例表明，考虑这一影响的系数大致在,1.2 2.0,的范围内）；,(3),结构工作条件中的其它不利因素。关于系数,K,的取值，尚缺少足够统计资料作进一步论证，因而暂时只能沿用目前的经验值。,6.,规程中给出的以上公式虽然形式较简单，但它们不是连续化理论公式（拟壳法），而是在较精确的有限元全过程分析方法基础上，对参数分析结果回归得到的拟合公式。,23,