初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响

第30卷　第6期哈　尔　滨　建　筑　大　学　学　报Vol130NO16　1997年12月Journal of Harbin University of Architecture and Engineering Dec11997　初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响①

张　峰　沈世钊 魏　昕

(哈尔滨建筑大学)　(哈尔滨铁路直属房产段)

摘　要　通过结构非线性分析程序SNAP,利用“一致缺陷模态法”对单层柱面网

壳结构进行了全面和系统的初始缺陷分析。选取了不同几何尺寸的单层柱壳,不同的荷载

分布形式,考虑不同大小的初始几何缺陷,最后着重讨论了初始缺陷对单层柱面网壳稳定

性的影响,对单层柱面网壳结构的设计有一定的指导意义。

关键词　初始缺陷;极限荷载;屈曲模态;形状畸变

分类号　TU356

0　概述

对于实际的单层柱面网壳结构来讲,初始缺陷是必然存在的。初始缺陷包括:结构外形的几何偏差(安装偏差),杆件初偏心或初弯曲,存在于结构杆件中的材料缺陷和初应力,外荷载作用点的初偏心,结构支座的偏差等。与杆件有关的初始缺陷在有关规范关于杆件设计的规定中已做了适当考虑,本文拟重点探讨网壳外形的初始偏差对网壳结构稳定性能的影响。对某些网壳类型,例如球面网壳,这种影响十分显著,是网壳稳定性验算中需要考虑的一个重要因素[1]。

初始几何缺陷对柱面网壳稳定性能的影响如何?迄今还缺乏定量方面的概念。本文试图运用大规模参数分析的方法对这一问题作一较为深入系统的探讨。

关于网壳稳定性分析的理论和方法问题,近几年来已获得较好解决。本文利用文献[2、3]提供的理论方法和相应程序对一系列具有不同几何参数、荷载参数和构造参数的柱面网壳进行荷载2位移全过程分析,得出了它们的极限承载力。在此过程中系统地考虑了不同大小的初始缺陷对网壳稳定性能的影响。网壳的初始几何缺陷是随机分布的;本文采用“一致缺陷模态法”来分析初始缺陷的影响。该法假定网壳的初始缺陷按结构最低阶屈曲模态分布;文献[3]业已说明,这样的分布是一种统计意义上的最不利分布,因此对每个具有随机分布缺陷的网壳只需进行一次缺陷分析。

1　计算模型及初始缺陷分析方案

本文以工程中最为常用的三向网格形式作为研究对象,网壳跨度为15m,沿跨度方向按等弧长原则分8格;网壳沿长度方向逐步增加网格数以变化长跨比,每一格的长度

①收稿日期:1997-07-1

张　峰　男　硕士/哈尔滨建筑大学建筑工程学院(150008)

为3m 。见图1

。

图1　计算模型简图

本文考虑工程中经常遇到的一种边界条件,即四边铰支。网壳两端设刚性横隔,限

制网壳端截面各点的平面内位移,但不限制纵向水平位移;纵边各点限制竖向位移和横向水平位移,也不限制纵向位移。

本文假定初始几何缺陷按最低阶屈曲模态作最不利分布;缺陷最大值r 在基本分析中取2cm 或3cm ,即网壳跨度B 的1/750或1/500;另外还针对两种长度的网壳系统地分析了不同大小缺陷对其稳定性能的影响。

网壳的长度共有6种,分别为15m 、21m 、27m 、33m 、39m 、45m 。即长跨比为110、114、118、212、216、310。

矢宽比的变化将直接影响单层柱面网壳的稳定承载力,考虑到工程中常用的取值,我们规定了4种情况:f /b =1/2,1/3,1/4,1/5。

杆件采用实际规格圆钢管;为了使本文的结果尽量符合实际,所有杆件均按计算选用,每个网壳一般选用两种规格的杆件:斜杆一般选较大截面,而纵杆和端杆采用较小截面。由于对较长的网壳需采用较大杆件截面,同时为了在分析中进行比较,本文共选用二套杆件截面。规格1: 89×4, 140×6;规格2: 102×4, 146×4。

荷载形式主要有两种:满跨均布和半跨均布。恒载满跨均布大小为g ,活载半跨均布大小为p ,p /g =0,1/4,1/2,110。

综合起来,初始缺陷分析方案如表1所示。

表1　参数分析方案

长宽长(l /b )

截面

矢宽比

荷载形式

初始缺陷(cm )

11011/2,1/3,1/4,1/5p /g =0,1/4,1/2,110r =0,211411/2,1/3,1/4,1/5p/g =0,1/4,1/2,110r =0,2,4,611811/2,1/3,1/4,1/5p/g =0,1/4,1/2,110r =0,321211/2,1/3,1/4,1/5p/g =0,1/4,1/2,110r =0,3

21/2,1/3,1/4,1/5p/g =0,1/4,1/2,110r =0,115,3,6,9,12,15216

11/3,1/4,1/5p/g =0,1/4,1/2,110r =0,32

1/3,1/4,1/5

p/g =0,1/4,1/2,110

r =0,3

2　按初始缺陷组合的全过程曲线

对每例结构进行全过程分析之后,为每个节点都可画出一条荷载2位移曲线。我们为

7

3第6期 张　峰等:初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响

每例结构只取迭代结束时位移最大的那个节点的荷载-位移曲线来作为曲型代表。限于篇幅,我们以l /b =114和212的网壳为例,将所绘得的全过程曲线示于图2和图3中。可以看到,这些全过程曲线都很有规律性

。

83哈　尔　滨　建　筑　大　学　学　报　第30卷

图2　全过程曲线(l/b=114) 3　初始缺陷对单层柱壳稳定性的影响

311　初始缺陷对极限荷载的影响93

第6期 张　峰等:初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响

本文取全过程曲线上第一个临界点处的荷载作为结构的极限荷载。从全过程曲线中可以看出,初始缺陷的存在降低了结构的极限荷载,但幅度较小;当初始几何缺陷为2cm (波宽的1/750)或3cm (波宽的1/500)时,在绝大多数情况下降低率不超过10%,且随着l /b 的增加而减小,如表2所示

。

图3　全过程曲线(l /b =212

)

表2　极限荷载降低率

l /b

r (cm )

f /b

0p/g (%)

0125 015110l /b r (cm )f /b

0p /g (%)

0125 015110110

2

1/2

1/31/41/51116581037169816261696136613671827118513651426153619341984165137118

3

1/21/3

1/41/51/2

131163194318341431155164215841014134410271636793694115410816631853151--1142

1/21/31/41/5

5168

319441384181

4161412341254148

519431534114164

813312331684153

212

2163

3

1/31/41/31/41/5

31892196213810114-

31553102-31370132

31983105-2157211

4124--0114312

为了进一步研究缺陷影响的规律,我们还专门选择l /b =114和212两种长度的网

04哈　尔　滨　建　筑　大　学　学　报　第30卷