某单层球面网壳结构设计和整体稳定性分析

某单层肋环型球面网壳结构的稳定分析
万馨;吕昊;张艳荣;刘志明
【期刊名称】《钢结构》
【年(卷),期】2015(030)011
【摘要】从实际工程出发,运用有限元模型,以单层球面网壳结构在不同荷载分布形式下的屈曲模态为基础,考虑初始缺陷、荷载分布形式和失跨比等影响下的非线性屈曲,分析结构的稳定承载力.结果表明:在竖向满跨均布荷载作用下,结构屈曲模态呈反对称分布,表现为整体竖向屈曲;当初始缺陷为结构跨度的1/300时,结构的稳定承载力最低,与无缺陷结构相比下降了30％左右;荷载的半跨分布和反对称分布使结构的稳定承载力下降了30％和44％左右;稳定极限承载力随着矢跨比的增大而相应的增大.
【总页数】5页(P6-9,13)
【作者】万馨;吕昊;张艳荣;刘志明
【作者单位】内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学建筑与土木工程学院,内蒙古包头014010;包头市地震局,内蒙古包头014010
【正文语种】中文
【相关文献】
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某单层肋环形球面网壳结构的整体稳定分析陈庆烈【摘要】整体稳定分析问题一直是球面网壳设计中的关键问题.理论分析和工程实践表明:网壳结构的设计通常受其稳定性控制.网壳结构的整体稳定分析主要有三种:屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析.本文借助有限元分析软件ANSYS,以某单层肋环型球面网壳为代表,对其进行屈曲分析、弹性整体稳定分析和弹塑性整体稳定分析,同时深入研究不同缺陷模式对整体稳定性能的影响.研究发现,单层球面网壳前六阶屈曲模态的整体稳定系数相接近,且出现相邻的重模态现象;最低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的弹性整体稳定承载力影响最大,但对其弹塑性整体稳定承载力的影响未必最大,故有必要考察相邻的较低阶屈曲模态缺陷对网壳结构的影响.【期刊名称】《四川建材》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】2页(P87-88)【关键词】单层肋环形球面网壳;整体稳定;极限承载力;有限元;缺陷模式【作者】陈庆烈【作者单位】同济大学建筑工程系,上海200092【正文语种】中文【中图分类】TU399某单层球面网壳的直径为30 m，矢高20 m(网壳底部标高0.000 m，网壳顶点标高20.000 m)。

周边边界点为支座节点，且为固定铰支座。

荷载标准值为：均布恒载q=1.0 kN/m2 (不包括结构自重)；均布活载p=0.7 kN/m2。

钢材种类选用Q235。

为简化分析，本网壳采用同一杆件截面形式，160×5，径向等分为12份，每根杆件长约1.54 m，环向等分为30份，每根杆件长约0.32～3.14 m。

各杆件选用BEAM188单元，且每个杆件为一个杆单元。

杆件各节点理想刚接，且不考虑节点形式，支座节点理想铰接。

在弹性整体稳定分析时，假定材料为无限弹性；在弹塑性整体稳定分析时，假定材料为理想弹塑性[1]。

当网壳受恒载和活载作用时，其稳定性承载力以恒载与活载的标准组合来衡量，根据JGJ7-2010《网壳结构技术规程》[2](以下简称《技术规程》)中大量算例分析表明：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。

单层球面网壳结构静力稳定性研究摘要：科技在迅猛发展，社会在不进步，研究静力作用下空间网壳结构的失稳行为，本文以单层凯威特球面网壳结构为研究对象，分析不同矢跨比、初始缺陷等参数对网壳结构在静力作用下其稳定性能的影响规律，这为以后的工程实践提供一定的理论支持。

关键词：网壳结构；荷载位移曲线；有限元引言空间结构作为新兴的建筑结构，其优势相对突出:整体性能好、材料强度利用率高且材料可充分回收、施工周期短、抗震性能好、造型美观大方、形式丰富多样等。

在大跨度空间结构中，网壳结构由于兼具良好的杆件受力性能和壳体的优美形态，成为当今新式建筑中应用最为广泛的结构形式之一。

传统的网壳结构稳定性分析是基于线性方法，其计算结果和实验值有较大出入，随着理论研究的不断深入，不同的计算方法相继被提出，主要有拟壳法、大规模参数分析方法和非线性有限元分析方法。

多尺度有限元分析方法由于其在计算精度和计算效率两方面均具有较好的平衡，逐渐被国内研究人员推广运用。

深入探讨了多尺度方法在钢框架抗震计算上的适用性问题。

通过对钢筋混凝土柱拟静力试验和单调推覆数值试验的模拟与对比分析，验证了多尺度方法的适用性。

提出了建立大跨度桥梁多尺度基准有限元模型的方法和多尺度有限元模型修正方法，通过与实测数据比较分析，验证了该多尺度基准有限元模型的合理性。

研究了钢结构风致疲劳分析中的多尺度有限元建模技术并验证其合理性。

提出了一种考虑隔震支座特性的隔震结构多尺度模拟方法并结合串联隔震结构振动台试验对多尺度分析方法的有效性进一步验证。

以两个单层空间网格结构的典型子结构拟静力试验结果作为校验，探讨了多尺度有限元模型在空间网格结构抗连续倒塌分析中的应用。

传统的全梁单元建模在模拟结构的整体变形和破坏倒塌方面具有较好的表现，但受限于单元划分的密度以及粗糙的节点刚接处理形式，难以有效地模拟网壳薄弱节点以及局部构件的力学响应，进而得到的分析结果存在不可忽略的偏差。

此外，网壳结构杆件众多，结构复杂，若采用全实体单元的精细化模型，其庞大的计算量将使得迭代计算的收敛和正确性难以保证，计算代价也较为巨大。

题目：某K6型单层球面网壳，跨度50m，矢高10m，网格布置如图所示；承受全跨均布恒载，周边铰支，材料弹性模量5φ×。

试计算该结构的稳E=×，杆件截面均为18052.110MPa定承载力。

操作步骤：一、几何模型1、运行MSTCAD2、【建模】>【标准网格】，选择“单层球面网壳”模板（图1）。

单击【下一步】。

图13、选择“单层凯威特型网格”，如图2。

单击【下一步】。

图24、输入跨度50m，矢高10m，环向网格数6，径向网格数6，如图3所示。

单击【完成】。

图35、【文件】>【另存为】，保存为dwg文件，如图4所示。

图46、用AutoCAD打开dwg文件，另存为1.dxf文件（R2000版本），关闭AutoCAD。

7、在工作目录中用记事本建立一个文本文件，后缀为“.in”，内容为“loaddxf 1.dxf”，如图5所示。

图58、运行ADINA，并保存文件（路径名及文件名都不能出现中文），例如保存在D:\ADINAEXAMPLE文件夹中（即第7步的工作目录）。

9、在图6所示工具条上单击“Open”按钮，在打开文件对话框中，文件类型选择“ADINA-INCommand Files (*.in)”，选择第7步建立的文本文件，如图7所示。

单击【打开】。

图6图710、在图8所示工具条上单击“Mesh Plot”按钮，显示几何模型，如图9所示。

图8图9二、物理模型11、指定边界条件在图10所示工具条上单击“XZ View”按钮，将模型切换到XZ视图，如图11所示。

图10图11在图12所示工具条上单击“Apply Fixity”按钮。

图12在图13所示对话框中单击“Define”，定义铰支边界约束条件。

图13在图14所示对话框中单击“Add”。

图14在图15所示对话框中输入约束名称，单击【OK】。

图15在图16所示对话框中输入勾选“X-Translation”、“Y-Translation”、“Z-Translation”，单击【OK】。

单层网壳结构整体稳定性分析摘要：作为常用的大跨度空间结构形式之一，单层网壳结构不仅结构形式美观，而且较少的节点和杆件也体现出该结构形式良好的经济性，但现实中单层网壳的整体失稳破坏现象在国内外均有发生，并得到设计师关注。

本文以结构稳定性分析理论为基础，对单层网壳整体结构线性稳定和考虑初始缺陷的非线性稳定问题的分析方法进行了系统的研究，并将研究成果直接应用于某站房屋盖的整体稳定性设计中，取得了良好的效果。

关键词：单层网壳结构；整体稳定性；分析1、前言单层网壳面外刚度弱，随着跨度的增大，结构的承载力主要由稳定控制，稳定验算成为结构设计的关键。

此外，单层网壳对缺陷敏感，其初始缺陷的分布与取值是该领域研究的主要课题之一。

网壳整体稳定性能的影响因素有很多种，而且都具有随机性。

而这些因素之间的相互影响使得网壳结构的稳定性问题变得更为复杂。

因此，对网壳结构进行整体稳定性分析是非常有必要的。

2、结构稳定分析基本问题在荷载作用下结构处于稳定平衡状态，荷载逐渐增加到某一值时，若继续施加某一微小增量，结构的平衡状态即发生明显的变化，结构体系由开始的衡状态变为不稳定平衡状态，最后达到一个新的稳定状态，这就是结构失稳或屈曲过程，对应的荷载即为屈曲荷载或临界荷载。

结构失稳主要有三种类型：第一类失稳通常是指结构荷载增加至一定数值时，结构由原来平衡状态变为另外一个平衡状态，该类失稳又称为分支点失稳或平衡分岔失稳，基本平衡路径为外荷载与内力相等的平衡状态对应的平衡路径，当结构沿基本平衡路径加载达到屈曲临界荷载时，平衡路径发生变化，有可能会出现新的平衡状态，新的平衡路径称为分支平衡路径，分支平衡路径与基本平衡路径的交叉点称为分支点，线性屈曲失稳的临界荷载N即为分支点对应的外荷载。

第二类失稳是指结构在大变形和大位移的不稳定的发展过程中，没有新的变形形式出现，失稳时结构平衡形态本质没有发生改变，这类失稳也称极值点失稳。

当外荷载逐渐增加至极值荷载Nmax后，结构平衡状态由稳定变为不稳定，荷载增大或即使保持不变，结构也会产生很大的位移，若要维持结构内外力之间的平衡必须逐渐减小外荷载。

球面网壳结构是一种独特的结构形式，它具有轻质、高强度、耐腐蚀、耐疲劳等优点。

在现代建筑、桥梁、航空航天等领域得到了广泛应用。

然而，球面网壳结构也存在一些稳定性问题，特别是在承受外力作用下容易发生失稳破坏。

因此，研究球面网壳结构的稳定性是非常重要的。

一、球面网壳结构的基本概念和分类球面网壳结构是由若干根经纬组成的高强度杆件和节点组成的网状结构，呈球面形状。

根据节点连接方式的不同，球面网壳结构可分为刚性节点球面网壳和铰接节点球面网壳两种。

刚性节点球面网壳是由刚性连接件将若干根经纬杆件连接起来组成的网架结构，具有较高的刚度和强度。

由于刚性连接件的存在，刚性节点球面网壳的计算和设计比较容易。

铰接节点球面网壳是通过铰接节点将若干根经纬杆件连接起来，形成一个柔性的球面网壳结构。

由于节点处的连接件和杆件均为铰接，因此在其承载过程中产生较多的应力变形。

因此，设计铰接节点球面网壳结构的过程较为复杂。

二、球面网壳结构的稳定性分析球面网壳结构的稳定性研究是结构设计和计算的重要内容。

与其他结构相比，球面网壳结构的稳定性分析存在以下特点：1.不规则形状球面网壳结构的形状不规则，因此其受力状态也较为复杂。

在球面网壳结构的设计过程中，需要充分考虑其形状和受力状态，进行合理的分析和设计。

2.不同的节点类型根据节点的不同类型，球面网壳结构分为刚性节点球面网壳和铰接节点球面网壳两种形式。

在分析结构的稳定性时，需要分别考虑刚性节点和铰接节点的情况。

3.多个节点位移相互影响球面网壳结构中的多个节点之间存在位移相互影响的情况。

因此，在分析结构的稳定性时，需要考虑节点位移的影响，确定每个节点的位移方向和大小。

4.复杂的边界条件球面网壳结构的边界条件比较复杂，需要考虑框架的边缘受力状态、球面曲率半径、节点位置等多个因素的影响。

因此，在分析结构的稳定性时，需要考虑各种边界条件的复杂性，并进行相应分析和计算。

三、球面网壳结构的稳定性控制球面网壳结构的稳定性受到许多因素的影响，例如材料的强度、形变能力、边界条件等。

半刚性节点单层球面网壳稳定性及其节点性能研究在球面网壳的设计中,单层球面网壳的稳定性一直是关键问题,而计算模型
的确定对网壳结构的稳定性分析有着至关重要的作用。

通常,人们把焊接球节点的单层网壳看作刚接节点网壳,把螺栓球节点网壳看作是铰接网壳,认为其不具
有抗弯能力,因而不被实际工程所采用。

但实际上,螺栓球节点并不是理想的铰接节点,它具有一定的转动刚度,是介于铰接和刚接之间的一种半刚性节点,而且这种螺栓球节点网壳结构施工简便,外形美观,具有很好的工程应用价值,因此对这类半刚性节点网壳开展具有针对性的研究具有重要的实际意义。

为能够较准确的得出螺栓球节点的弯矩—转角曲线,本文通过螺栓球节点的试验研究和在ANSYS中对其进行数值模拟,研究了螺栓球节点的弯曲刚度特征,
分别得到了螺栓球节点试验和数值模拟的弯矩—转角曲线,两种分析方法所得的弯矩—转角曲线吻合较好,表明了本文所提出的数值模拟方法是模拟螺栓球节点受力性能的一种正确有效的方法,从而为螺栓球节点及其它半刚性节点结构的设计与应用提供打下了坚实的基础。

在此基础上,利用上文所得的常用螺栓球节点的弯曲刚度,对k8型和k6型螺栓球节点的单层球面网壳进行了弹塑性全过程分析,系统考察了半刚性节点网壳的极限荷载和失稳模态,以及网壳的跨度、矢跨比、节点弯曲刚度、扭转刚度、节点域、荷载的分布模式、杆件类型、支承条件和初始几何缺陷等重要因素对其稳定性能的影响。

通过大量的参数分析,较为全面的掌握了半刚性节点单层球面网壳的稳定性能,并借鉴现行规程中的公式形式,对
以上几种参数分析中取得的大量数据进行科学的回归分析,推导出了K8型和K6
型螺栓球节点网壳的稳定性验算的拟合公式。

目录1 题目 (1)2 验算依据 (1)3 计算简图 (2)4 荷载信息 (2)5 ANSYS有限元分析 (3)5.1 结构线性整体稳定 (3)5.2 完善结构几何非线性整体稳定 (5)2.1 带缺陷结构大位移几何非线性整体稳定 (7)2.2 带缺陷结构大位移弹塑性非线性整体稳定 (10)6 稳定性系数和性态进行分析、比较 (13)6.1 极限承载力分析 (13)6.2 初始缺陷分析 (14)6.3 带初始缺陷的大位移弹塑性分析 (15)附录本文采用的ANSYS有限元分析命令流 (16)1题目单层球面网壳，跨度40m，矢跨比f／L=1／5，网格环向分6份。

杆件材料：Q235，截面均取圆钢管Φ114.0X4.0，网壳节点刚接，周边边界点为支座节点，且为固定铰支座。

结构网格形式采用联方型网壳满跨均布恒载(q)：结构自重(杆件部分)+屋面(0.3kN/m2)半跨均布活载(p)：p =0.5q整体稳定计算内容结构线性整体稳定—给出整体失稳稳定系数值(20)和模态(6)；完善结构几何非线性整体稳定—给出荷载-位移曲线；带缺陷结构大位移几何非线性整体稳定—给出荷载-位移曲线；带缺陷结构大位移弹塑性非线性整体稳定—给出荷载-位移曲线；对各种稳定性系数和性态进行分析、比较，说明特点。

为了便于比较，取各网壳最高点的λ－w曲线作为比较的对象。

2验算依据主要计算根据是：1）罗老师提供的数据文件和资料，以及草图等。

2）我国现行有关规范、规程，主要包括：《建筑结构荷载规范》（GBJ50009-2001）《建筑抗震设计规范》（GBJ50011-2001）《钢结构设计规范》（GBJ50017-2003）《网架与网壳技术规程》（JGJ61-2003）《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81-2002）《钢结构工程施工及验收规范》（GB50205-2001）本次验算采用了通用有限元软件Ansys进行计算。

3计算简图计算简图4荷载信息1)恒载(1) 屋面 0.30kN/m2(2) 自重（包括表面覆盖） 0.55 kN/m2分项系数：1.2则分散到每个节点上的力为 1.2x3.14x20x20x(0.3+0.55)/109=11.8 kN/m22) 活载(1) 取恒载一半 0.43 kN/m2分项系数：1.4只加半跨则分散到每个节点上的力为 1.4x3.14x20x20/2x0.43/61=6.20 kN/m2加载图5ANSYS有限元分析5.1结构线性整体稳定ANSYS分析结果前20阶稳定系数如下：***** INDEX OF DATA SETS ON RESULTS FILE *****SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE1 0.52381 1 1 12 0.52455 1 2 23 0.69295 1 3 34 0.71452 1 4 45 0.81106 1 5 56 0.84886 1 6 67 1.0803 1 7 78 1.1275 1 8 89 1.1316 1 9 910 1.1498 1 10 1011 1.2856 1 11 1112 1.3440 1 12 1213 1.4580 1 13 1314 1.5013 1 14 1415 1.5428 1 15 1516 1.6217 1 16 1617 1.6677 1 17 1718 1.7336 1 18 1819 1.7860 1 19 1920 1.9184 1 20 20其中前六阶失稳模态如下：1JAN 5 2007第1阶失稳模态第2阶失稳模态第3阶失稳模态第4阶失稳模态JAN 5 2007JAN 5 2007第5阶失稳模态第6阶失稳模态5.2完善结构几何非线性整体稳定(1)我们仍然假定顶点产生1000mm的位移时，结构达到承载力极限。

单层球面网壳结构的弹塑性稳定分析摘要：考虑结构的几何非线性和材料的弹塑性，对一个K6型单层球面网壳进行稳定性分析。

通过对比分析发现，此结构的弹塑性稳定承载力约为其弹性稳定承载力的50％，材料的弹塑性对不对称荷载作用下的稳定承载力的影响更显著。

关键词：单层球面网壳；弹塑性；稳定性；极限承载力网壳结构的稳定性是单层网壳分析设计中的一个关键问题，单层网壳和厚度较小的双层网壳都存在失稳的可能性。

研究表明[1]，影响网壳结构稳定性的主要因素包括：非线性效应；初始缺陷；曲面形状；结构刚度；节点刚度；荷载分布；边界条件。

因此，网壳规程第4.3.4条规定，通过网壳结构的几何非线性全过程分析、并考虑初始缺陷、不利荷载分布等影响而求得的第一个临界点处的荷载值，作为该网壳的极限稳定承载力。

通过规定网壳结构的极限稳定承载力与实际荷载之比大于安全系数K来保证结构的整体稳定性。

由于网壳是一种缺陷敏感性结构，初始缺陷将明显地降低网壳的临界荷载。

许多试验和理论分析也证实结构的几何偏差会降低临界荷载的30％－40％[2]。

因此，网壳规程规定了稳定安全系数K可取为5，该系数是一经验系数，确定时考虑到以下因素：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；计算中未考虑材料弹塑性可能带来的不利影响；结构工作条件中的其他不利因素。

我国网壳规程把材料弹塑性的影响放在安全系数K中考虑，而K依据经验来确定，无法真实地考虑材料弹塑性。

本文利用大型通用有限元软件ANSYS对单层网壳结构进行双重非线性分析，得到了较为精确地网壳结构极限承载力。

工程实例问题描述。

一个K6型施威德勒型球面网壳，球面半径36m，底平面跨度50m，失高10.1m。

网壳结构的所有杆件均采用的Q235钢管，周边铰支。

分析参数。

本文的有限元分析采用ANSYS软件中的BEAM189单元。

BEAM189单元为3结点二次梁元，基于Timoshenko梁元理论，该梁元在非线性分析中能考虑大变形、大转角和大应变效应。

单层球面木网壳结构研究现状随着社会和经济的发展，建筑工程的需要也越来越多。

球面木网壳结构作为一种具有创新性、独特性和美观性的建筑类型，受到了广泛的关注和重视。

本文就单层球面木网壳结构的研究现状进行探讨和分析，旨在深入了解这一新兴建筑类型的特点、应用和发展趋势。

一、球面木网壳结构的设计特点球面木网壳结构是指在球面上铺设木材，将木材按照一定的倾角和旋转角度排列，形成一种特殊的构造体系。

球面木网壳结构具有以下设计特点：1. 灵活性球面木网壳结构的设计可以根据实际需求进行灵活调整，采用不同木材、不同构造方式，实现多样化的设计效果。

2. 节约成本球面木网壳结构可利用工厂预制化技术，极大地降低了施工成本和时间。

3. 可持续性球面木网壳结构采用天然木材，符合可持续发展的理念，对环境友好，有助于提高建筑的可持续性。

二、球面木网壳结构的应用范围球面木网壳结构的应用范围很广泛。

在建筑结构中，球面木网壳结构已成功地应用于商业、文化、体育等领域，如体育场馆、剧院、博物馆等。

此外，球面木网壳结构还可以用于露天舞台、展馆、民居等领域。

三、球面木网壳结构的研究现状目前，全球关于球面木网壳结构的研究已越来越深入和广泛，主要围绕以下方面进行研究：1. 构造分析球面木网壳结构的构造分析是研究的重点之一，主要是通过分析结构受力原理，研究不同种类和规格的木材、组合方式和连接形式，探索最佳的结构构造方案。

2. 可靠性和安全性分析球面木网壳结构在应用过程中需要承受很大的荷载和力矩，因此要针对不同的应用场合，进行可靠性和安全性分析，确保球面木网壳结构的安全性和可持续性。

3. 性能分析目前，关于球面木网壳结构的性能分析仍处于起步阶段。

今后需要深入研究球面木网壳结构的声学性能、热力学性能、防火性能等方面的特性。

四、球面木网壳结构的发展趋势球面木网壳结构作为一种创新性的建筑类型，在未来有广阔的发展前景。

未来的研究方向主要集中在以下几个方面：1. 研究球面木网壳结构在不同环境下的适应性，为其在各个领域的应用提供更多的可能性。