单层网壳整体结构中杆件的稳定性分析和试验研究

摘要

单层网壳结构是空间结构中应用最多的结构形式之一。随着社会的发展，人们对单层网壳结构的跨度要求越来越高，网壳结构的稳定性问题是制约网壳结构发展的重要的因素。在单层网壳结构设计时主要考虑整体的稳定性，对结构中杆件的稳定性关注过少。本课题运用有限元软件ANSYS对考虑杆件失稳的单层网壳进行稳定性分析，并用试验进行验证，对杆件的稳定性控制分别从杆件计算长度系数和稳定系数方面进行探讨，本文主要针对以下几方面进行研究：
　　对不同截面的单根杆件采用梁单元进行非线性分析得到杆件的承载力，将有限元结果与钢结构规范的计算值进行比较，得出杆件缺陷的合理幅值。对无缺陷、仅有节点缺陷及同时考虑杆件和节点缺陷情况下不同截面的单层网壳结构，进行双重非线性分析，得到单层网壳的的荷载位移曲线，通过对比得出考虑杆件缺陷的网壳承载力要低。对不同截面的网壳进行全过程分析，得出失稳杆件的轴力荷载曲线，可以发现在结构达到极限承载力前出现了杆件的失稳。并发现网壳结构的破坏过程是某根杆件或某些杆件引起的，对于圆钢管截面网壳中的杆件主要发生壳体曲面外失稳，对于矩形截面网壳中的杆件发生平面内绕弱轴的失稳。
　　对圆钢管截面的网壳进行了模态和稳定性试验研究，通过模态试验数据分析可知，采用ITD法结合稳定图法能够用于网壳结构的模态参数识别，利用ANSYS分析试验模型的频率，其结果与试验结果吻合较好。网壳破坏后发现，网壳破坏时节点呈现向心形，杆件出现风车形变形，最外圈杆件和次外圈有缺陷杆件发生壳体平面外失稳，最内环杆件变形较小。由试验的破坏过程可知，试验网壳的失稳是由于结构中有缺陷的杆件先行屈曲而后发展为结构的整体破坏，破坏是瞬间的。对比试验和理论分析的结果可看出，杆件的缺陷对网壳结构的承载性能有显著的影响，故网壳结构的稳定性分析时，考虑杆件稳定性影响才能得到接近实际的结构承载能力。单层网壳结构杆件主要承受轴力，可以近似的看作受压构件。对钢结构规范和网格技术规程中杆件的计算长度系数进行了推导，发现规范推导时做了一些假定，使用具有一定的局限性。对网壳结构中防止杆件的失稳，从整体结构的角度出发更合理。由于采用工程常用的方法计算时，结构处于弹性阶段，故所得到的计算长度系数偏于不安全。采用网壳结构的非线性分析得出杆件的稳定系数，发现稳定系数小于规范值。采用柱子曲线公式和欧拉公式反推法得到了杆件的计算长度系数，对比可知用柱子曲线得出的计算长度系数更合理。故在结构设计时可以通过控制杆件的稳定系数和长细比来控制杆件的稳定性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 本课题的国内外研究现状及分析

1.3 本文主要研究内容与方案

第2章 单层网壳整体结构的稳定性分析

2.1 引言

2.2 网壳结构稳定性的分析方法

2.3 单根杆件的稳定性分析

2.4 网壳整体结构的稳定性分析

2.5 本章小结

第3章 圆钢管截面单层网壳的稳定性试验研究

3.1 引言

3.2 试验过程介绍

3.3 试验的数据处理和现象观察

3.4 数值模拟与试验结果的对比

3.5 本章小结

第4章 单层网壳中杆件的计算长度系数探讨

4.1 引言

4.2 钢结构设计规范对杆件计算长度系数的规定

4.3 空间网格结构技术规程对杆件计算长度系数的规定

4.4 工程实际中单层网壳结构中杆件计算长度系数的确定

4.5 基于非线性分析下整体结构中防止杆件失稳的方法

4.6 本章小结

结论

参考文献

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