单层圆柱面网壳非线性稳定性分析.pdfVIP

单层圆柱面网壳的非线性稳定性分析 梁利平引，吴桂英2 (太原理工大学理学院 山西 太原 030024) 摘要： 本文以单层柱面网壳为研究对象，用有限元分析程序研究其稳定性。在计算中考虑了结构的材料几何双重非线性、 边界约束、结构初始几何缺陷及载荷作用方式等因素对网壳稳定性的影响。通过研究与分析，得到了该网壳失稳的特点和规 律以及各因素的影响关系。 关键词：单层柱面网壳；非线性屈曲；几何缺陷；失稳： 1前言 单层网壳结构是一种沿某一曲面规律的布置而组成的空间杆系结构，是大跨度空间结构的主要形式之 一。由于其自重轻、结构刚度好，可以构造中间无支撑的跨度较大的空间，如体育馆、影剧院等；又由于 网壳本身富于变化的形状可以组合各种造型新颖而优美的结构形状，而受到建筑师与结构工程师的青睐。 目前网壳结构的发展与建筑材料和计算理论的发展紧密相连，其总的趋势是跨度越来越大，厚度越来越薄。 厚度薄、重量轻可以看作是结构优化设计的结果，然而这种结果将致使网壳结构失稳问题愈来愈不容忽视。 本文以15m跨单层柱面网壳为研究对象，用有限元分析程序研究其稳定性。在计算中考虑了结构的材料几 何双重非线性、边界约束、载荷作用方式及结构几何缺陷等因素对网壳稳定性的影响。通过研究与分析， 得到了该网壳失稳的特点和规律以及各因素的影响关系。 2计算模型与结构参数 本文以三向网格形式的柱壳作为研究对象，该类网格杆件尺寸和节点构造统一，受力均匀，刚度好， 是工程中最常用的形式。考虑材料和几何双重非线性，选用理想弹塑性材料模型。网壳跨度为15m，长度 33m，模型的网格划分方法均为沿长度方向每3m一个格，沿圆弧方向按等弧长原则划分为8格，矢跨比为1／ 3，纵杆和端杆为由83x3．5圆管，斜杆为cb 性阶段的切线模量取初始弹性模量的3％，屈服应力为215e6N／m2(模型及参数取自文献1)。 有限元模型见图l。 图l(a)空间图 图I(b)平面图 基金项目：国家自然科学基金 作者简介：粱利平(198401)·女，山西人，硕士研究生。主要从事结构工程动力学研究(E-laiI：Iianglipin919840101@126．com) 吴桂英(196209)·女，山西人，教授．主要从事结构弹塑性动力学研究(E．-mail：wgy2005112@163．c∞) ·I．366· 3边界约束对网壳结构稳定影响 将结构的均布载荷压力等效为节点载荷施加在网壳各节点上。在均布竖向满跨载荷作用下，考虑材料 几何的双重非线性影响得出不同边界约束下网壳屈曲载荷、屈曲模态及载荷位移曲线。屈曲载荷见表l。 表l不同边界下屈曲载荷 i_＼、之!边界条件—、＼ 特征值屈曲载荷(N) 非线性屈曲载荷(N) 沿网壳长度方向为三向铰支座，环向为自由端 28981 27041 网壳四边均为I甸铰支座 239920 58186 沿网壳长度方向为固定支座，沿环向为自由端 81650 43154 网壳四边均为固定支座 277010 72656 通过模拟得出以下结论： (1)特征值屈曲载荷比非线性屈曲载荷大，这是因为特征值屈曲没有考虑结构几何与材料的非线性，是一 种理想情况下的结构屈曲，它是非线性屈曲的上限； (2)屈曲载荷随着边界约束加强而加大，四边铰支非线性临界屈曲载荷是两边铰支的2．15倍，四边固定支 座是两边固定的1．68倍，两边铰支(表1中第一种约束方式)屈曲载荷最小； (3)非线性对表1中第一种约束方式影响最小，其特征值屈曲与非线性屈曲载荷值相近，其它约束均相差在 两倍以上； (4)通过计算发现四边约束屈曲模