031網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

主講人：支旭旭東哈爾濱工業(yè)大大學(xué)第三章網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu)03-1專題：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)穩(wěn)定性1/32內(nèi)容概要一、概述二、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)全過程分析析方法及實(shí)例例分析三、單層球面面網(wǎng)殼的穩(wěn)定定性四、規(guī)程關(guān)于于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)定性驗(yàn)算的的規(guī)定及說明明2/32網(wǎng)殼失穩(wěn)現(xiàn)象象的分類：即即整體失穩(wěn)和和局部失穩(wěn)整體失穩(wěn)是幾幾乎整個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)都出現(xiàn)偏離離平衡位置而而發(fā)生很大幾幾何變位的一一種失穩(wěn)現(xiàn)象象單根桿件失穩(wěn)穩(wěn)是網(wǎng)殼中經(jīng)經(jīng)常發(fā)生的局局部失穩(wěn)現(xiàn)象象，點(diǎn)失穩(wěn)則則是另一種局局部失穩(wěn)現(xiàn)象象。網(wǎng)殼的整整體失穩(wěn)往往往是從局部失失穩(wěn)開始并逐逐漸形成的一、概述3/321.非線性連續(xù)化化理論方法(擬殼法)僅對少數(shù)特定定的殼體(例如球面殼)才能得出較實(shí)實(shí)用的公式無法反映實(shí)際際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的的不均勻構(gòu)造造和各向異性性的特點(diǎn)無法考慮不同同荷載分布的的影響一、概述穩(wěn)定性分析是是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、、尤其是單層層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵鍵問題*網(wǎng)殼穩(wěn)定性評評估的方法《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ7-2010中4.3.1條：單層網(wǎng)殼殼以及厚度小小于跨度1/50的雙層網(wǎng)殼均均應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定定性計(jì)算。4/322.模型試驗(yàn)方法法耗費(fèi)時(shí)間，并并且成本昂貴貴無法考慮不同同結(jié)構(gòu)參數(shù)的的影響3.非線性有限元元——荷載-位移全過程分分析可以精確地反反映結(jié)構(gòu)性能能隨荷載變化化的全貌可以分析不同同類型、不同同網(wǎng)格、不同同結(jié)構(gòu)參數(shù)和和不同荷載載分布等多種種情況對工程設(shè)計(jì)人人員而言比較較復(fù)雜，較難難掌握*網(wǎng)殼穩(wěn)定性評評估的方法5/32二、球面網(wǎng)殼殼全過程分析析實(shí)例球殼結(jié)構(gòu)簡圖圖圖中數(shù)字表示示網(wǎng)殼節(jié)點(diǎn)發(fā)發(fā)生跳躍屈曲曲的順序6/32網(wǎng)殼的全過程程曲線（節(jié)點(diǎn)1-6）7/328/32這些全過程曲曲線形態(tài)變化化豐富，曲線線上每個(gè)臨界界點(diǎn)對應(yīng)以某某個(gè)節(jié)點(diǎn)為主主的跳躍屈曲曲（見節(jié)點(diǎn)2全過程）9/32網(wǎng)殼在加載過過程中若干時(shí)時(shí)刻的位移形形態(tài)屈曲范圍從一一個(gè)主肋節(jié)點(diǎn)點(diǎn)開始向周圍圍逐漸擴(kuò)散，，最后在網(wǎng)殼殼上形成一個(gè)個(gè)很大的凹陷陷10/32網(wǎng)殼具有不同同初始缺陷(形狀偏差)時(shí)的全過程曲曲線(假設(shè)初始形狀狀偏差與網(wǎng)殼殼的一階屈曲曲模態(tài)吻合)1.隨著初始缺陷陷的增加，全全過程曲線的的變化具有明明顯規(guī)律性。。2.球殼對初始幾幾何缺陷非常常敏感，當(dāng)R=6cm(L/830),臨界荷載降低低到完善殼的的55%。11/32*單層球面網(wǎng)殼殼穩(wěn)定性分析析方案網(wǎng)格劃分形式式：Kiewitt(K-8,K-6);短程線型、肋肋環(huán)斜桿型跨度：L＝40，50，60，70m矢跨比:f/L=1/5,l/6,1/7,l/8.截面尺寸：采用四套不同同大小的桿件件截面(按設(shè)計(jì)選擇截截面)初始幾何缺陷陷：完善殼、具有有初始缺陷(最大安裝偏差差R=L/1000-L/100)，采用一致缺缺陷模態(tài)法不對稱荷載分分布：p/g=0,1/4,1/2.(g——滿跨均布恒荷荷載;p——半跨均布活荷荷載)三、單層球面面網(wǎng)殼的穩(wěn)定定性12/32滿跨均布荷載載下K8型網(wǎng)殼的全過程程曲線點(diǎn)線帶缺陷實(shí)線完善殼13/32球面網(wǎng)殼的屈屈曲模態(tài)球面網(wǎng)殼的屈屈曲多數(shù)情況況下表現(xiàn)為殼殼面上一個(gè)或或若干個(gè)局部凹陷的形式，這種種凹陷從某一一節(jié)點(diǎn)的跳躍躍屈曲開始，，凹陷的范圍圍逐漸擴(kuò)大。。Kiewitt網(wǎng)殼屈曲從主肋節(jié)點(diǎn)開始；肋環(huán)斜斜桿型一般從從第三環(huán)(自外圈算起)上某一結(jié)點(diǎn)開開始；短程線線型網(wǎng)殼則從從三角形球面上某一結(jié)點(diǎn)開開始14/32不同荷載分布布對球面網(wǎng)殼穩(wěn)定定性的影響p/g=0,1/4,1/2三條曲線幾乎乎完全重合15/32初始缺陷大大小對球面面網(wǎng)殼穩(wěn)定定性的影響響(r=0,3,6,10,20,30,40,50,60cm)不同初始缺缺陷時(shí)的全全過程曲線線Kiewitt網(wǎng)殼(D=60m)畸變結(jié)構(gòu)16/32開始階段，，極限荷載載隨缺陷增增大迅速下下降，至缺缺陷為20cm(L/300)時(shí)達(dá)最小值值，此時(shí)極極限荷載為為完善網(wǎng)殼殼的50％左右。缺缺陷再進(jìn)一一步增大時(shí)時(shí)，網(wǎng)殼己己嚴(yán)更偏離離原來的球球面形狀，，受力也偏偏離薄膜內(nèi)內(nèi)力主導(dǎo)狀狀態(tài)，變成成了一種“畸形結(jié)構(gòu)”。事實(shí)上，當(dāng)當(dāng)初始缺陷陷超過一定定限度后，，這種具有有過大初始始缺陷的網(wǎng)網(wǎng)殼剛度很很小，位移移發(fā)展很快快，盡管荷荷載可能保保持上升趨趨勢，但在在工程上已已沒有意義義。L/500~L/300的安裝偏差定定為球面網(wǎng)殼可以接接受的最大允許缺缺陷；把理想網(wǎng)殼殼極限荷載的50％定為實(shí)際網(wǎng)殼的的極限承載力17/32l.球面網(wǎng)殼均均表現(xiàn)出極極佳空間工工作性能，，因而荷載載的不對稱稱分布對它它們的極限限荷載幾乎乎沒有影響響。因而實(shí)實(shí)際應(yīng)用時(shí)時(shí)，荷載按按恒荷+活荷滿跨均均布考慮。。2.從實(shí)用角度度，似乎可可以將L/500~L/300的安裝偏差差定為球面面網(wǎng)殼可以以接受的最最大允許缺缺陷；同時(shí)時(shí)把理想網(wǎng)網(wǎng)殼極限荷荷載的50％定為實(shí)際際網(wǎng)殼的極極限承載力力。《空間網(wǎng)格結(jié)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)規(guī)程》JGJ7-2010中4.3.4條：進(jìn)行網(wǎng)網(wǎng)殼全過程程分析求得得的第一個(gè)個(gè)臨界點(diǎn)處處的荷載值值，可作為為網(wǎng)殼的穩(wěn)穩(wěn)定極限承承載力。18/32采用回歸分分析的方法法為球面網(wǎng)網(wǎng)殼的穩(wěn)定定驗(yàn)算推導(dǎo)導(dǎo)一個(gè)適當(dāng)當(dāng)?shù)臄M合公公式，借鑒鑒殼體穩(wěn)定定性的線彈彈性解析公公式：r——球面的曲率率半徑(m)；Be——網(wǎng)殼的等效效薄膜剛度度(kN/m)；De——網(wǎng)殼的等效效抗彎剛度度(kN·m);k——待定擬合系系數(shù)qcr——穩(wěn)定極限承載力19/32平均值/95%保證率的取取值(針對理想網(wǎng)網(wǎng)殼、線彈彈性材料計(jì)計(jì)算結(jié)果)k=2.34/2.18,K8型網(wǎng)殼k=2.52/2.27,K6型網(wǎng)殼k=2.24/2.07,短程線型網(wǎng)網(wǎng)殼k=2.30/2.17,肋環(huán)斜桿型型網(wǎng)殼對理想網(wǎng)殼殼的系數(shù)K（回歸得到到）平均取值為為2.17綜合考慮各各種因素（（折減系數(shù)數(shù)為0.5，主要為初初始缺陷影影響），最后后建議對各各類實(shí)際球球面網(wǎng)殼的的極限承載載力統(tǒng)一按按如下公式式計(jì)算：20/32[qks]——穩(wěn)定容許承載力適用范圍：：跨度小于于50m《空間網(wǎng)格結(jié)結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)規(guī)程》JGJ7-2010中4.3.4條：網(wǎng)殼穩(wěn)穩(wěn)定容許承承載力[qks]（荷載取標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值）應(yīng)應(yīng)等于網(wǎng)殼殼穩(wěn)定極限限承載力qcr除以安全系系數(shù)K。當(dāng)按彈塑塑性全過程程分析時(shí)，，安全系數(shù)數(shù)K可取為2.0；當(dāng)按彈性性全過程分分析時(shí)，安安全系數(shù)K可取4.2。21/32四、其它關(guān)關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性性驗(yàn)算問題題的說明1.單層網(wǎng)殼和和厚度較小小的雙層網(wǎng)網(wǎng)殼均存在在總體失穩(wěn)穩(wěn)(包括局部殼殼面失穩(wěn))的可能性；；設(shè)計(jì)某些些單層網(wǎng)殼殼時(shí)，穩(wěn)定定性還可能能起控制作作用，因而而對這些網(wǎng)網(wǎng)殼應(yīng)進(jìn)行行穩(wěn)定性計(jì)計(jì)算。*對鞍形網(wǎng)殼殼來說，建建議采用結(jié)結(jié)構(gòu)整體剛剛度驗(yàn)算來來代替復(fù)雜雜的穩(wěn)定性性驗(yàn)算。2.結(jié)構(gòu)荷載-位移全過程程分析可以以把結(jié)構(gòu)強(qiáng)強(qiáng)度、穩(wěn)定定乃至剛度度等性能的的整個(gè)變化化歷程表示示得十分清清楚，因而而可以從最最精確的意意義上來研研究結(jié)構(gòu)的的穩(wěn)定性問問題。僅考慮幾何何非線性的的荷載-位移全過程程分析方法法已相當(dāng)成成熟。因而而現(xiàn)在完全全有可能要要求對實(shí)際際大型網(wǎng)殼殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行行考慮幾何何非線性的的荷載-位移全過程程分析，在在此基礎(chǔ)上上，確定其其穩(wěn)定性承承載力。*如果全過程程分析中還還要進(jìn)一步步考慮材料料的彈塑性性能，方法法就繁復(fù)得得多，目前前還不宜對對多數(shù)工程程提出這一一要求。22/323.設(shè)網(wǎng)殼受恒恒載g和活載q作用，且其其穩(wěn)定性承承載力以(g+q)來衡量，分分析表明，，荷載的不不對稱分布布(實(shí)際計(jì)算中中取活載的的半跨分布布)對球面網(wǎng)殼殼的穩(wěn)定性性承載力無無不利影響響，對四邊邊支承的柱柱面網(wǎng)殼當(dāng)當(dāng)其長寬比比上L/B≤1.2時(shí)，活載的的半跨分布布對網(wǎng)殼穩(wěn)穩(wěn)定性承載載力有一定定影響。對對橢圓拋物物面網(wǎng)殼和和兩端支承承的圓柱面面網(wǎng)殼，這這種影響則則較大，應(yīng)應(yīng)在計(jì)算中中考慮(參加規(guī)程4.3.3條)。4.網(wǎng)殼殼缺缺陷陷包包括括節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位位置置的的安安裝裝偏偏差差、、桿桿件件的的初初彎彎曲曲、、桿桿什什對對節(jié)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的的偏偏心心等等，，后后面面兩兩項(xiàng)項(xiàng)是是與與桿桿件件有有關(guān)關(guān)的的缺缺陷陷。。在分分析析網(wǎng)網(wǎng)殼殼穩(wěn)穩(wěn)定定性性時(shí)時(shí)有有一一個(gè)個(gè)前前提提，，即即網(wǎng)網(wǎng)殼殼所所有有桿桿件件在在強(qiáng)強(qiáng)度度設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)階階段段是是都都已已經(jīng)經(jīng)過過設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)計(jì)計(jì)算算保保證證了了強(qiáng)強(qiáng)度度和和穩(wěn)穩(wěn)定定性性的的。。這這樣樣，，與與桿桿件件有有關(guān)關(guān)的的缺缺陷陷對對網(wǎng)網(wǎng)殼殼總總體體穩(wěn)穩(wěn)定定性性(包括括局局部部殼殼面面失失穩(wěn)穩(wěn)問問題題)的影影響響就就自自然然地地被被限限制制在在一一定定范范圍圍內(nèi)內(nèi)，，因因而而此此處處主主要要考考慮慮了了網(wǎng)網(wǎng)殼殼初初始始幾幾何何缺缺陷陷(節(jié)點(diǎn)點(diǎn)位位置置偏偏差差)對穩(wěn)穩(wěn)定定性性的的影影響響。。*至于于缺缺陷陷的的最最大大值值，，按按理理應(yīng)應(yīng)采采用用施施工工中中的的容容許許最最大大安安裝裝偏偏差差；；但但大大量量實(shí)實(shí)例例表表明明，，當(dāng)當(dāng)缺缺陷陷達(dá)達(dá)到到跨跨度度的的1/300左右右時(shí)時(shí)，，其其影影響響才才充充分分展展現(xiàn)現(xiàn)；；從從偏偏于于安安全全角角度度考考慮慮，，規(guī)規(guī)程程中中規(guī)規(guī)定定了了“按網(wǎng)網(wǎng)殼殼跨跨度度的的1/300”作為為理理論論計(jì)計(jì)算算的的取取值值23/325.“安全全系系數(shù)數(shù)”K的確確定定應(yīng)應(yīng)考考慮慮到到下下列列因因素素：：(1)荷載載等等外外部部作作用用和和結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)抗抗力力的的不不確確定定性性可可能能帶帶來來的的不不利利影影響