异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析.pdf

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 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 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 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 yt 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 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 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 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 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 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 cs 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 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 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 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 单元用于构造三维实体结构,单元通过个节点来定义,每个节点具有个沿着x、y、z方向平移自由度 单层网壳结构算例分析 工程概况本设计工程为清远市某花篮形单层网壳,建筑效果 如 图所 示花 篮 形 单 层 网 壳 总 高 度 为 m,花篮下部是直径为 m的圆柱面,花篮上部为提手的造型,提手连接了花篮主体两边的侧壁,提手的宽度从结构下部往上部逐渐收缩,从 m宽收缩到结构最高处的 m宽网壳西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷结构底标高为 m,顶标高为 m,花篮内部的主体结构为地上层,采用现浇钢筋混凝土框架结构,环绕花篮底边设置了钢筋混凝土柱与环梁,用于支撑网壳结构图建筑效果图F i g A r c h i t e c t u r a l r e n d e r i n g s花篮采用三角形单层网壳结构,主要网格尺寸为 m,杆件夹角在 左右,杆件均采用热轧无缝钢管花篮最下层的边界点设为固定铰支座节点;花篮开口处的边界点设为弹性支座节点,弹性支座节点仅约束其水平方向,弹簧刚度由楼层 的抗侧 刚 度 确 定,释 放 竖 直 方 向 的约束 结构静力性能分析 计算模型采用 D S软件建立了花篮形单层网壳的有限元模型,如图所示花篮形单层网壳的杆件均采用梁单元花篮支撑于下部的钢筋混凝土柱或环梁上,下部支座的形式为铰接;在花篮的开口处设置弹性支座用于模拟与钢筋混凝土柱的侧接,弹性支座仅约束其水平方向,释放竖直方向的约束,弹性支座的弹簧刚度由连接的钢筋混凝土柱确定,每个弹性支座的弹簧刚度如表所示图结构分析模型F i g S t r u c t u r a l a n a l y s i sm o d e l表各弹性支座的弹簧刚度T a b S p r i n g s t i f f n e s so f e a c he l a s t i c s u p p o r t支座标高/mx向刚度Kx/k Nmmy向刚度Ky/k Nmm 荷载信息进行静力分析时,花篮形单层网壳需考虑的荷载包括:()结构自重,由软件自动计算;()结构附加恒荷载:k N/m;()活荷载:k N/m,考虑满跨布置和半跨布置两种工况;()风荷载:基本风压 k N/m,地面粗糙度为C类,风振系数与杆件所在高度有关,由软件自动计算,体型系数根据荷载规范 按塔架类型确定,风荷载考虑了x向、x向、y向、y向四种工况;()地震作用:采用振型分解反应谱法,取前 阶振型按C Q C方法进行组合,考虑水平和竖向地震作用,本工程所在地区为度区,设计基本地震加速度为 g,设计地震分组为一组,场地类别为I I类根据荷载规范 和可靠性标准 的要求,进行单层网壳结构设计时考虑的荷载组合如表所示表荷载组合类别T a b L o a dc o m b i n a t i o nc a t e g o r y序号组合描述 恒载 活载 恒载 风载 恒载 活载 风载 恒载 活载 风载 恒载 活载 水平地震 恒载 活载 竖向地震 恒载 活载 水平地震 竖向地震 恒载 活载 水平地震 竖向地震 恒载 活载 风载 水平地震 恒载 活载 风载 竖向地震第期马宏伟,等:异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析续表序号组合描述 恒载 活载 风载 水平地震 竖向地震 恒载 活载 风载 水平地震 竖向地震 恒载 活载注:活荷载有满跨布置和半跨布置两种工况,风荷载有x向、x向、y向、y向四种工况,共有 种荷载组合 杆件及节点设计花篮形单层网壳的杆件均采用热轧无缝钢管,杆件截面采用 、四种规格,杆件均采用Q B钢材,杆件的 面 内 计 算 长 度 系 数 取 ,面 外 长 度 系 数取 经多次分析模型后得到结果:恒载 满跨活载 y向风载的荷载组合是结构的控制荷载组合,在此组合下,杆件的最大应力为 MP a,出现在花篮下部的斜压杆上,杆件的最大轴压力为 k N,出现在花篮开口处的竖向杆件上,最大弯矩为 k Nm,出现在提手边缘处的杆件上地震工况下杆件的最大轴压力为 k N,对杆件的受力影响较小,说明地震工况不起控制作用 提手优化分析花篮上部的提手是设计的难点,提手连接了花篮主体两边的侧壁,提手的宽度从下往上逐渐收缩,宽度从 m收缩到结构最高处的 m,提手位于 结 构 的 最 上 部 分,最 高 点 处 的 标 高 为 m,而提手的宽度为 m,刚度较弱,在风荷载作用下会产生较大位移,杆件容易因受力较大发生破坏优化前的提手将其长度方向的通长主管设计为根,网格最大尺寸为 m,通过优化分析发现,提手长度方向的通长主管数量对其受力影响很大,将主管数量由根增加为根,并将提手处网格进行优化,调整了网格形状和斜腹杆的布置方式,使其网格形状左右对称、网格最大尺寸减小为 m、杆件传力更加合理,优化后提手主管的直径可控制在 以内;另外,优化前的提手在高度方向上的曲率变化不连续,在提手高度方向的中部杆件的走势接近直线,且提手的左右稍有不对称,出现左侧杆件比右侧杆件凸起的现象,结构分析时发现提手的部分杆件轴力和弯矩较大,出现了明显的应力集中现象,对结构受力有很不利的影响对提手的曲率进行了优化,使提手高度方向和水平方向的曲率变化保持连续结果表明,提手处杆件的应力有明显的减小,说明单层网壳的曲率变化 与对称性对 其受 力 性 能 有 很 大影响图提手网格示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fh a n d l eg r i d图提手曲率示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo fh a n d l ec u r v a t u r e 变形计算根据规程 的要求,单层网壳结构在恒载与活载标准值组合作用下的最大位移计算值不应超过结构短向跨度的/,本结构跨度为 m,因此本结构的位移限值为 /mm经计算,结构在恒载与活载标准值组合作用下的变形见图由图可知,位移最大的节点位于花篮左侧环处的中间区域,位移最大值为 mm,因此结构静力分析的位移值满足要求图结构变形云图F i g D e f o r m a t i o nc l o u dd i a g r a mo f t h e s t r u c t u r e 结构自振特性分析通过动力特性分析得到了结构前 阶振型的西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷频率分布如图所示,整体来说,花篮形单层网壳结构的自振频率分布较为均匀,说明结构的刚度分配比较合理由图结构前阶振型图可知,第阶振型为单层网壳y轴向的水平振动,第阶振型为单层网壳x轴向的水平振动,第阶振型是单层网壳的竖向振动,第阶振型是单层网壳的扭转振动从振型分布来说,振型多为结构上部的水平振动,这是因为结构的宽度从中部往上部逐渐收缩,刚度逐渐减小,优化提手的网格布置和曲率变化,有利于改善结构的自振特性图自振频率分布图F i g N a t u r a l f r e q u e n c yd i s t r i b u t i o n图结构前阶振型F i g T h e f i r s t m o d e so f t h e s t r u c t u r e 整体稳定性研究 分析模型在AN S Y S软件建立花篮形单层网壳的有限元模型,选用B e a m 梁单元模拟网壳的杆件杆件均采用Q B钢材,屈服强度为 MP a,弹性模量为 MP a 荷载条件:()恒荷载:结构自重 k N/m的均布恒荷载;()活荷载:k N/m的均布活荷载,活荷载为满跨布置;荷载组合为 恒 活,将均布荷载导算为节点荷载施加在相应的节点上 线性稳定分析线性稳定分析得到的结构前阶线性稳定系数如表所示,图为结构前阶线性稳定模态表前阶模态的线性稳定系数T a b L i n e a r s t a b i l i t y f a c t o ro f t h e f i r s t m o d e s模态稳定系数 图结构前阶线性稳定模态F i g T h e f i r s t l i n e a r s t a b l em o d e so f t h e s t r u c t u r e由表可知,结构的线性稳定模态分布比较密集,相邻稳定模态的稳定系数相差较小,说明结构杆件布置较为合理由图可知,第阶模态为提手处杆件的失稳破坏,第阶模态为花篮左侧环处杆件的失稳破坏,第、阶模态为花篮下部杆件的失稳破坏 弹性稳定分析与弹塑性稳定分析利用AN S Y S软件对花篮形单层网壳进行荷第期马宏伟,等:异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析载位移全过程分析,激活大变形效应,位移控制点选取为提手的中点,当控制点的位移达到 m时,迭代停止对于非线性平衡方程的求解,AN S Y S软件采用的是改进的N e w t o n R a p h s o n迭代法和F o r d e和S t i e m e r于 年提出的改进球面弧长法 在加载前期采用N e w t o n R a p h s o n迭代法,求解快捷、准确;当加载接近临界点时采用球面弧长法,通过自动调整荷载步长使计算易于收敛,最终得到结构的荷载位移全过程曲线对完善结构和缺陷结构进行弹性稳定分析,按照一致缺陷模态法,取结构第一稳定模态的位移分布作为各节点的初始缺陷分布;根据规程,缺陷的最大值取为结构跨度的/,本结构跨度为 m,故取缺陷最大值取为 mm,将第一稳定模态的节点位移放大相应倍数,得到各节点的初始缺陷位移对完善结构和缺陷结构进行考虑材料、几何双非线性的弹塑性稳定分析,激活大变形效应,缺陷的施加方式与弹性稳定分析一致,采用随动强化模型对材料本构进行模拟,弹性模量为 MP a,切线模量取弹性模量的 倍,为 MP a 分析结果根据上述有限元分析,得到了完善结构和缺陷结构的弹性稳定承载力、弹塑性稳定承载力稳定分析的荷载位移曲线如图 所示,结构的变形云图如图 所示,结构的应力云图如图 所示图 结构荷载位移曲线对比F i g C o m p a r i s o no f s t r u c t u r a l l o a d d i s p l a c e m e n t c u r v e s图 结构变形云图F i g D e f o r m a t i o nc l o u dd i a g r a mo f t h e s t r u c t u r e图 结构应力云图F i g S t r e s s c l o u dd i a g r a mo f t h e s t r u c t u r e由图、图 和图 可知,进行弹性整体稳定分析时,结构的整体变形在加载后期时已经相当大,但由于侧向支座和底部支座的约束作用,结构能继续变形且承载力仍在增加读应力云图可知,杆件的最大应力达到了 MP a,且较多杆件的应力超过了材料的屈服强度 MP a,已不具有实际工程意义因此,可认为控制点位移达到 m时,结构发生失稳,此时的承载力为结构的弹性稳定承载力由图 可知,仅考虑几何非线性时,完善结构的稳定承载力为q k N/m,结构安全系数为K ;缺陷结构的稳定承载力为q k N/m,结构安全系数为K ,满足规程 中规定的安全系数 的限值考虑几何和材料双重非线性时,完善结构的稳定承载力为q k N/m,结构安全系数为K ;缺陷结构的稳定承载力为q k N/m,结构安全系数为K ,满足规程 中规定的安全系数西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷 的限值考虑缺陷后,结构的整体稳定承载力有所下降,缺陷结构的弹性稳定承载力比完善结构的弹性稳定承载力降低了;缺陷结构的弹塑性稳定承载力比完善 结构的弹 塑性稳定 承 载 力 降 低 了 ,但是缺陷结构的位移幅值明显比完善结构大,在位移幅值相同的情况下,完善结构表现出更优秀的受力性能考虑几何和材料双重非线性后,结构的整体稳定承载力下降明显,完善结构的弹塑性稳定 承载力比 弹性稳定 承 载 力 降 低 了 ,缺陷结构的弹塑性稳定承载力比弹性稳定承载力降低了 ,材料非线性对结构稳定承载力的影响尤为突出,说明弹塑性稳定承载力对单层网壳结构起控制作用由图 可知,弹性稳定分析的失稳模式与弹塑性稳定分析的失稳模式不同进行弹性整体稳定分析时,花篮的上部整体变形明显,花篮开口处上部变形最大,出现了大幅度凹陷,凹陷范围内的杆件发生大变形使得结构刚度退化,失去承载力;进行弹塑性稳定分析时,花篮左侧环处和上部变形明显,其中环处的中部变形最大,此处杆件受压屈服,使结构失去承载能力由图 可知,压应力较大区域出现在花篮下部区域的斜向杆件、开口处的竖向杆件和提手与花篮主体连接处的杆件,拉应力较大区域出现在花篮下部的环向杆件 空间相贯节点算例分析选取花篮形单层网壳中位于底部的空间KK型节点进行三维实体有限元分析,节点的力学简图如图 所示,A为主管,B、B 为被搭接支管,C、C 为搭接支管节点杆件截面均为 ,支管与主管径厚比D/t ,杆件间的夹角均为 采用E 焊条进行全焊透的坡口焊接,焊缝要求与母材等强,质量达到一级焊缝质量标准荷载取最不利工况进行加载图 节点力学简图F i g M e c h a n i c a l d i a g r a mo f t h e j o i n t 节点的承载力计算此空间KK型相贯节点的承载力计算如下:对于受压支管B:截面面积A mm;支管钢材强度设计值:f N/mm;D/t ;Ov ,;满足构造要求qOv Ov Nc K q Acf k NNc K KKKNc K k N对于受拉支管C:截面面积A mm;支管钢材强度设计值:f N/mm;D/t ;Ov ,;满足构造要求qOv Ov Nt K(q )Atf k NNt KKK KNt K k N支管节点处的承载力设计值如表所示,承载力设计值均满足规范要求,且有较大富余表各杆件承载力、所受轴力及承载比T a b B e a r i n gc a p a c i t y,a x i a l f o r c ea n db e a r i n gr a t i oo fe a c hm e m b e r管名称AB B C C 承载力/k N 所受轴力/k N 承载比 有限元模型建立建立隐蔽部位有焊缝和无焊缝的空间KK型相贯节点的有限元模型,节点由一根主管与四根支管组成,各管截面尺寸均为 ,主管A一端设为支承,约束类型为固定约束,四根支管依次相贯焊接在主管上,C 管搭接在B 管上,C 管搭接在B 管上隐蔽部位有焊缝节点定义隐蔽部位的主支管接触关系为绑定接触,隐蔽部位无焊缝节点定义为粗糙接触 节点分析结果相贯节点有限元分析结果如图、所示隐蔽部位无焊缝节点的最大应力为 MP a,出现在主管与支管B 相贯的焊缝处应力集中区域为主支管相贯处和两支管相贯处,局部峰值应力都出现在相贯焊缝处,整体应力分布趋势为越靠近焊缝处,杆件的应力越大隐蔽部位有焊缝节点的最大应力为 M P a,出现在主管与支管B 相贯的隐蔽部位焊缝处应第期马宏伟,等:异形单层网壳结构的整体稳定性研究及关键节点分析力集中区域为、整体应力分布趋势与隐蔽部位无焊缝节点相似,但隐蔽部位有焊缝节点的应力分布更加均匀,且峰值应力减小 隐蔽部位焊缝对节点受力性能的影响隐蔽部位有焊缝节点和隐蔽部位无焊缝节点的最大应力对比如表所示图 节点应力云图F i g S t r e s s c l o u dd i a g r a mo f t h e j o i n t图 主管与最大应力支管应力云图F i g S t r e s s c l o u dd i a g r a mo f t h em a i np i p ea n dt h em a xs t r e s sb r a n c hp i p e表各杆件最大应力及节点应力比T a b T h em a xs t r e s sa n dj o i n t s t r e s s r a t i oo f e a c hm e m b e rAB B C C 节点a最大应力/MP a 应力比 节点b最大应力/MP a 应力比 节点应力比 其中:为管最大应力与屈服强度之比,为隐蔽部位有焊缝节点应力与隐蔽部位无焊缝节点应力之比隐蔽部位 有 焊 缝 节 点 在 传 力 方 面 明 显 优 于隐蔽部位无 焊缝节点在 隐蔽部位 无 焊 缝 的 情况下,支管的 荷载只能通 过外露处 焊 缝 传 递 到主管,传力路 径 狭 窄 使 得 杆 件 局 部 内 力 过 大,未能充分发 挥其他部分 材料特性施 加 隐 蔽 部位焊缝后节 点的传力途 径更加清 晰 合 理,其 承载力相比隐 蔽部位无焊 缝节点有 所 提 高在 相同轴力作用 下,节点处各 杆件的最 大 应 力 减 小了 以上 结论本文总结了单层网壳结构整体稳定分析方法和相贯节点分析方法,对某花篮形单层网壳进行了静力性能分析、整体稳定分析,对某空间KK型相贯节点进行了承载力计算和三维实体有限元分析得出以下结论:()对花篮的提手进行了优化分析,发现单层网壳的曲率变化和网格形状对结构承载能力的影响很大,当曲率变化连续且结构网格具有良好的对称性时,单层网壳的承载能力能有很大的提高;()对花篮形单层网壳结构进行了弹性和弹塑西安建筑科技大学学报(自然科学版)第 卷性整体稳定分析,其弹性和弹塑性安全系数分别为 、,结构有较大的安全储备;()隐蔽部位有焊缝的空间相贯节点有更清晰、合理的传力路径,节点处各杆件的最大应力相比隐蔽部位无焊缝的节点减小了 以上,在工程中的关键节点可以考虑施加隐蔽部位焊缝,提高节点承载力;()本文有限元分析与按规范计算得到的节点处杆件承载力相差较大,有限元分析得出的承载力较低参考文献R e f e r e n c e sMO R R I SNF E f f e c t o f i m p e r f e c t i o n so n l a t t i c es h e l l sJ J o u r n a l o f S t r u c t u r a lE n g i n e e r i n g,():曹正罡,孙瑛,范峰,等单层柱面网壳弹塑性稳定性能