网壳结构稳定性计算PPT75页[详细]
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* 能够方便获得对应不同阶临界荷载的屈曲形态。 * 能够方便地考虑初始几何缺陷、不同活荷载分布对
网壳稳定临界力的影响。
但是： 这种理论上完美的分析方法，对于工程设计人
员过于复杂。似乎需要一种实用化的计算公式，既能 够反映目前理论分析的先进成果，又可以方便地应用 于工程实践。
为此目的：
采用全过程分析方法，对考虑不同类型、不同网 格划分、不同几何和结构参数的网壳，进行大规模参 数分析。
*这一考虑大转角的精确理论对保证计算结果的正确性也是十分重要的
网壳结构全过程分析方法
2.合理的平衡路径跟踪和灵活的迭代策略
以柱面弧长法为主综合运用各种方法；对于较为简单的结
构，采用位移增量法比较方便而有效；对于复杂的多自由度 体系，由于很难推测其结点位移的变化趋势，因此在第一步 计算中采用荷载增量法，从第二步开始采用变步长的柱面弧 长法来自动跟踪结构的荷载-位移全过程。但对于某些复杂 结构，在个别临界点附近，发现采用弧长法也难于使迭代收 敛，而这时改用余能增量法却能得到满意结果。因此，将余 能增量法作为弧长法的一个补充。
网壳结构稳定性计算
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、单层柱面网壳的稳定性 五、单层椭圆抛物面网壳的稳定性 六、单层双曲抛物面网壳的稳定性 七、规程关于网壳结构稳定性验算的规定及说明
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
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
*网壳稳定性评估的方法
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
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)
满跨均布荷载下K8型网壳的全过程曲线
实线 完善壳 点线 带缺陷
*增加适当的修正项，以考虑Oran矩阵中未曾考虑的两个主轴方向弯曲
的相互耦连作用，从而得到更加精确的切线刚度矩阵
对于大转角问题，由于转动位移不适用矢量迭加原则，因而
在增量计算中不能将每步算得的转动位移增量进行简单迭加。 引用“结点方向矩阵”的概念来确定结点的空间方向，每步增 量计算结束后进行旋转变换，求得新的结点方向矩阵。
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%。
Biblioteka Baidu结
经过全过程分析，网壳结构随荷载变化丰富多彩的全 过程受力性能的全貌能够精确地得到：
• 以揭示不同网壳结构稳定性能的规律性。
•在大规模参数分析的基础上，以达到获得不同网壳 结构稳定性评估的实用公式。
总计对2800余个实际尺寸的不同类型网壳 进行了全过程分析
1. 球面网壳( 840 例)
Kiewitt型(K8,K6) 短程线型 肋环斜杆型
2. 柱面网壳(1220例 )
四边支承柱壳 ( 350例 ) 两纵边支承柱壳 ( 54 例 ) 两端支承柱壳 ( 816 例 )
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
二、网壳结构全过程分析方法及实例分析
*网壳结构全过程分析方法
1.精确的单刚矩阵和大转角变换
按Oran梁-柱理论直接推导单元的刚度矩阵，力和位移的
关系可以用超越函数表示，对位移的高阶量没有任何省略。
*将上述各种方法有机地结合起来，计算中可以自动交替使用，因此能有
效地应付各种复杂问题，尤其是在大型网壳结构的荷载-位移全过程分析 中显示出较佳效果
采取两条措施：一是采用了变步长的增量计算方法，并
给出了合理步长的计算公式；二是采用能量准则判断迭代是 否收敛，并且对收敛值给予严格控制
网壳结构全过程分析方法
3.初始缺陷的影响
对网壳稳定性来说，曲面形状的安装偏差，即各结点位 置的偏差就成为起主要影响作用的初始缺陷。采用“一致缺 陷模态法”来考虑这类初始缺陷的影响，即认为初始缺陷按 最低阶屈曲模态分布时可能具有最不利影响。
4.大规模的参数分析
计算表明，按上述理论和方法编成的程序，对实际网壳 结构的全过程分析十分有效。利用编制程序对单层球面网壳 、圆柱面网壳、椭圆抛物面网壳(双曲扁网壳)、双曲抛物面 网壳(鞍形网壳)的稳定性进行了系统的分析。所分析的网壳 均属于常用的形式，具有实际的形状和尺寸，其杆件截面也 均按实际设计选定。
3. 扁网壳(椭圆抛物面网壳) ( 783 例)
4. 鞍形网壳(双曲抛物面网壳) ( 14 例 )
* 完成每例分析以后，
为每个结点都可画出一 条荷载-位移曲线；实际 分析中只取一条曲线、 即迭代结束时位移最大 的那个结点的荷载-位移 曲线作为代表。
* 从实用角度，只需取开始一段曲线(即越过
第一个临界点以后再保留一段必要的屈曲后路 径)进行考察。
三、单层球面网壳的稳定性
*单层球面网壳稳定性参数分析方案( 840 cases)
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
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
网壳的全过程曲线（节点1-6）
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）
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
网壳稳定临界力的影响。
但是： 这种理论上完美的分析方法，对于工程设计人
员过于复杂。似乎需要一种实用化的计算公式，既能 够反映目前理论分析的先进成果，又可以方便地应用 于工程实践。
为此目的：
采用全过程分析方法，对考虑不同类型、不同网 格划分、不同几何和结构参数的网壳，进行大规模参 数分析。
*这一考虑大转角的精确理论对保证计算结果的正确性也是十分重要的
网壳结构全过程分析方法
2.合理的平衡路径跟踪和灵活的迭代策略
以柱面弧长法为主综合运用各种方法；对于较为简单的结
构，采用位移增量法比较方便而有效；对于复杂的多自由度 体系，由于很难推测其结点位移的变化趋势，因此在第一步 计算中采用荷载增量法，从第二步开始采用变步长的柱面弧 长法来自动跟踪结构的荷载-位移全过程。但对于某些复杂 结构，在个别临界点附近，发现采用弧长法也难于使迭代收 敛，而这时改用余能增量法却能得到满意结果。因此，将余 能增量法作为弧长法的一个补充。
网壳结构稳定性计算
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、单层柱面网壳的稳定性 五、单层椭圆抛物面网壳的稳定性 六、单层双曲抛物面网壳的稳定性 七、规程关于网壳结构稳定性验算的规定及说明
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
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
*网壳稳定性评估的方法
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
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)
满跨均布荷载下K8型网壳的全过程曲线
实线 完善壳 点线 带缺陷
*增加适当的修正项，以考虑Oran矩阵中未曾考虑的两个主轴方向弯曲
的相互耦连作用，从而得到更加精确的切线刚度矩阵
对于大转角问题，由于转动位移不适用矢量迭加原则，因而
在增量计算中不能将每步算得的转动位移增量进行简单迭加。 引用“结点方向矩阵”的概念来确定结点的空间方向，每步增 量计算结束后进行旋转变换，求得新的结点方向矩阵。
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%。
Biblioteka Baidu结
经过全过程分析，网壳结构随荷载变化丰富多彩的全 过程受力性能的全貌能够精确地得到：
• 以揭示不同网壳结构稳定性能的规律性。
•在大规模参数分析的基础上，以达到获得不同网壳 结构稳定性评估的实用公式。
总计对2800余个实际尺寸的不同类型网壳 进行了全过程分析
1. 球面网壳( 840 例)
Kiewitt型(K8,K6) 短程线型 肋环斜杆型
2. 柱面网壳(1220例 )
四边支承柱壳 ( 350例 ) 两纵边支承柱壳 ( 54 例 ) 两端支承柱壳 ( 816 例 )
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
二、网壳结构全过程分析方法及实例分析
*网壳结构全过程分析方法
1.精确的单刚矩阵和大转角变换
按Oran梁-柱理论直接推导单元的刚度矩阵，力和位移的
关系可以用超越函数表示，对位移的高阶量没有任何省略。
*将上述各种方法有机地结合起来，计算中可以自动交替使用，因此能有
效地应付各种复杂问题，尤其是在大型网壳结构的荷载-位移全过程分析 中显示出较佳效果
采取两条措施：一是采用了变步长的增量计算方法，并
给出了合理步长的计算公式；二是采用能量准则判断迭代是 否收敛，并且对收敛值给予严格控制
网壳结构全过程分析方法
3.初始缺陷的影响
对网壳稳定性来说，曲面形状的安装偏差，即各结点位 置的偏差就成为起主要影响作用的初始缺陷。采用“一致缺 陷模态法”来考虑这类初始缺陷的影响，即认为初始缺陷按 最低阶屈曲模态分布时可能具有最不利影响。
4.大规模的参数分析
计算表明，按上述理论和方法编成的程序，对实际网壳 结构的全过程分析十分有效。利用编制程序对单层球面网壳 、圆柱面网壳、椭圆抛物面网壳(双曲扁网壳)、双曲抛物面 网壳(鞍形网壳)的稳定性进行了系统的分析。所分析的网壳 均属于常用的形式，具有实际的形状和尺寸，其杆件截面也 均按实际设计选定。
3. 扁网壳(椭圆抛物面网壳) ( 783 例)
4. 鞍形网壳(双曲抛物面网壳) ( 14 例 )
* 完成每例分析以后，
为每个结点都可画出一 条荷载-位移曲线；实际 分析中只取一条曲线、 即迭代结束时位移最大 的那个结点的荷载-位移 曲线作为代表。
* 从实用角度，只需取开始一段曲线(即越过
第一个临界点以后再保留一段必要的屈曲后路 径)进行考察。
三、单层球面网壳的稳定性
*单层球面网壳稳定性参数分析方案( 840 cases)
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
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
网壳的全过程曲线（节点1-6）
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）
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