单层网壳结构的风振系数及风致弹塑性动力失效破坏研究

摘要

随着空间网格结构的形式复杂化,跨径更大化,质量轻型化,厚度趋薄化,结构整体刚度趋柔变弱,风荷载往往成为结构设计中的控制荷载,结构的风致振动问题日渐突出,尤其是在风荷载作用下的动力失效破坏问题日益受到重视。由于空间网格结构在风荷载和结构特性方面的复杂性,至今国内外对风荷载下结构的动力失效研究仍十分有限。本文利用有限元理论,对单层柱面网壳结构的风振系数进行了分析,并对影响网壳风振系数的因素进行了较为系统的分析比较。在考虑几何非线性、材料非线性以及初始几何缺陷情况下,对单层柱面及球面网壳在风荷载作用下弹塑性动力失效过程进行了分析。数值分析过程中利用B-R准则确定结构的动力失效临界风速。本文所做的工作主要有以下几个方面:
　　 (1)利用线弹性有限元法对三向网格单层柱面网壳进行了三维风振响应时程分析,讨论了位移和内力风振系数的计算公式,计算了位移和内力风振系数。统计了不同矢跨比、长宽比、平均风速等参数组合工况下的计算结果,指出了位移和内力风振系数随上述参数的变化规律,回归了单层柱面网壳结构在具体条件下具有较高精度的整体位移和内力风振系数的计算公式。综合上述分析,兼顾安全和经济两方面,建议实际工程应用中结构整体位移和内力风振系数可分别取为3.7,3.6。
　　 (2)针对单层柱面网壳结构进行了三维风荷载作用下的弹塑性动力响应分析,全面地考察了节点位移时程曲线、屈曲模态、极限承载力等特征响应,指出了矢跨比、长宽比等参数对网壳构抗风稳定性能的影响,分析结果说明:网壳结构的受风性能随着矢跨比的增大而降低;随着长宽比的增大同样表现出逐渐降低的趋势,说明减小长宽比及降低矢跨比是改善单层柱面网壳抗风稳定性的有效措施。对比了风荷载下静、动力分析时的极限承载力,表明单层柱面网壳的风致动力极限承载力远小于其静风情况下的极限值。
　　 (3)针对单层球面网壳结构进行了三维风荷载作用下的弹塑性动力晌应分析,全面地考察了极限承载力、屈曲模态、塑性发展分布等特征响应,指出了矢跨比、初始几何缺陷、初始静力以及支承形式等因素对网壳结构稳定性能的影响,计算结果显示:风荷载的空间相关性、支座形式、初始静荷载等对结构在动力破坏时的临界风速的影响不大;结构在动力情况下的临界风速随矢跨比的变化具有规律性,但变化幅度不是很大,矢跨比在1/3附近时,结构整体刚度最好,抗风极限承载能力最大;对比了风荷载下静、动力分析时的极限承载力,显示单层球面网壳同单层柱面网壳一样在动力分析时的极限承载力远小于其静风情况下的极限值。