网壳结构的缺陷敏感性分析及其改善

摘要

单层网壳是目前空间结构中使用较多的一种结构形式，随着人们对建筑功能要求的不断提高，网壳跨度越来越大，形式也日趋复杂，其稳定性以及缺陷敏感性问题日益突出。目前针对网壳稳定性的研究主要侧重于传统单层网壳，对于空腹杆件网壳、弦支穹顶结构、大网格单层网壳等新型网壳的研究则有待深化。故本文围绕新型网壳的稳定性问题以及缺陷敏感性问题进行了以下几方面研究： 第一方面，为加深对单层网壳缺陷敏感性的理解，本文以等截面面积的四种网壳（实心杆件网壳、圆管杆件网壳、工字型杆件网壳和空腹杆件网壳）为研究对象，得到单层网壳缺陷敏感性随着其杆件截面抗弯刚度的提高而降低这一规律；此外，又对球面网壳、圆柱面网壳和鞍形网壳进行薄膜力分布和屈曲特征值研究，验证了薄膜压力和屈曲模态的耦合为引起单层网壳缺陷敏感性的原因。 第二方面，研究了荷载变异对网壳极限承载力的影响。网壳规范只规定了反对称荷载对网壳极限承载力的影响，但并未对反对称荷载降低网壳极限承载力的原因进行说明，此外规范也未提及其它荷载作用方式对网壳极限承载力的影响。对此，本文对圆柱面网壳、椭圆抛物面网壳和球面网壳施加反对称荷载，得到网壳极限承载力降低的原因，即网壳的第一阶屈曲模态与反对称荷载作用形式的一致性；此外，本文对单层球面网壳施加不同形式荷载，表明网壳顶部压重对其极限承载力提高有帮助。 第三方面，针对网壳缺陷敏感性的抽象性和复杂性的特点，本文以一个弹性拱为例，对其引入一个拱顶弹性支撑，用Koiter初始后屈曲理论对其进行求解，得到其缺陷敏感性改善的解析解，以加深对结构缺陷敏感性改善的理解。 第四方面，目前对弦支穹顶结构稳定性以及缺陷敏感性的研究局限于具体工程的特定矢跨比，而不同矢跨比弦支穹顶结构的稳定性以及缺陷敏感性有很大不同。本文对矢跨比为1/10、1/15和1/20的弦支穹顶结构进行稳定性对比分析，提出弦支穹顶结构特征值求解的注意事项，并得到此类结构缺陷敏感性随着矢跨比降低而减弱的这一规律。 第五方面，网壳受力性能接近于实体壳，设计人员倾向于选择较密网格，但稀疏网格网壳具有更好的刚度和较低的缺陷敏感性。本文对三种不同网格密度的网壳进行弹塑性有限元对比分析，得出稀疏网格网壳比密集网格网壳极限承载力更高，缺陷敏感性更低这一结论，并提出用规范估算此类结构极限承载力的方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2结构缺陷敏感性分析简史

1.3网壳结构缺陷敏感性分析研究现状和进展

1.3.1缺陷敏感性理论的研究

1.3.2数学力学模型的研究

1.3.3弹塑性稳定的研究

1.3.4初始缺陷灵敏度及影响的研究

1.3.5多荷载参数体系的研究

1.3.6局部失稳和整体失稳的问题

1.4网壳缺陷敏感性分析在实际应用中存在的问题

1.5本文的主要工作

第2章网壳结构缺陷敏感性原理以及影响因素

2.1引言

2.2结构缺陷敏感性案例

2.2.1薄壁压杆

2.1.2格构柱

2.1.3软钢压杆

2.1.4弹性对称拱

2.1.5圆柱板

2.1.6完整球壳

2.1.7完整柱壳

2.3结构缺陷敏感性定义

2.4结构缺陷敏感性的诱发原因

2.5缺陷敏感类型

2.5.1缺陷对极值点失稳的影响

2.5.2缺陷对非对称分支失稳的影响

2.5.3缺陷对不稳定的对称分支失稳的影响

2.5.4缺陷对稳定的对称分支失稳的影响

2.6缺陷敏感的本质

2.7网壳结构缺陷敏感性影响因素分析

2.7.1不同杆件截面类型网壳的缺陷敏感性对比分析

2.7.2不同类型单层网壳的缺陷敏感性对比分析

2.8本章小结

第3章荷载变异对单层网壳结构性能的影响

3.1引言

3.2空间结构失稳实例分析

3.3荷载变异对网壳结构极限承载力影响研究

3.3.1反对称荷载对单层网壳稳定性的影响

3.3.2荷载作用位置对单层球面网壳稳定性的影响

3.4本章小结

第4章弹性拱缺陷敏感性分析及其改善

4.1引言

4.2 Koiter初始后屈曲理论简介

4.3弹性拱的缺陷敏感性分析及其改善

4.3.1应变能方程

4.3.2傅氏级数展开

4.3.3边界条件

4.3.4线性特征值分析

4.3.5后屈曲路径曲率

4.3.6缺陷敏感性分析

4.4本章小结

第5章弦支穹顶结构的缺陷敏感性分析

5.1引言

5.2稳定计算原理简介

5.2.1特征值屈曲分析简介

5.2.2非线性屈曲分析简介

5.3不同矢跨比弦支穹顶结构缺陷敏感性算例对比分析

5.3.1矢跨比为1／10的弦支穹顶结构

5.3.2矢跨比为1／15的弦支穹项结构

5.3.3矢跨比为1／20的弦支穹顶结构

5.4本章小结

第6章大网格网壳的缺陷敏感性分析

6.1引言

6.2数值分析与试验结果对比

6.2.1有限元结果与试验结果对比分析

6.2.2规范方法估算

6.3大网格网壳结构的缺陷敏感性分析

6.3.1单元边长5m的单层三向网壳

6.3.2单元边长10m的单层三向网壳

6.3.3单元边长20m的单层三向网壳

6.3.4小结

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作的方向

致 谢

参考文献

个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果