三向球面空腹网壳结构稳定性及地震响应研究
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摘要
三向球面空腹网壳是一种新型的空间结构形式,它可以看成是两个同曲率中心的三向网格球面单层网壳仅通过腹杆相连而来,并且连接上下弦的腹杆都指向曲率中心。为充分认识该结构的受力特点,本文运用大型有限元软件ANSYS对三向球面空腹网壳的稳定性及抗震性能进行了深入的研究。
本文首先对三向球面空腹网壳进行了特征值屈曲分析和几何非线性稳定分析。计算了三向球面空腹网壳的屈曲荷载和屈曲模态；分析了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面等参数对三向球面空腹网壳极限承载力的影响；并将其结果与单层三向网格球面网壳的稳定性能进行了对比研究。
其次,本文分析了三向球面空腹网壳的动力特性,采用子空间迭代法计算出结构的自振频率和振型,研究了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面、荷载大小以及支座约束等参数对该结构自振频率的影响。
最后,本文采用反应谱法和时程分析法对三向球面空腹网壳进行了地震响应研究。分析了结构在水平方向、竖向以及水平和竖向地震同时作用下的动力响应和位移变化情况,比较了反应谱法和时程分析法所得的结果,为该类结构的抗震设计提供了有价值的参考。
Three-dimensional Reticulated Vierendeel Shell is a new form of space structures, which can be seen as two same curvature single-layer spherical lattice shells with three-dimensional grids only connected by web members, and all web members point to curvature center. In order to grasp the mechanical characteristics of this structure, the stability and seismic performance were studied by ANSYS in this paper.
Firstly, eigenvalue buckling analysis and geometrical nonlinear stability analysis of three-dimensional reticulated vierendeel shell were investigated. And calculating the buckling load and the buckling mode, analyzing the influence on the ultimate strength of this structure by different parameters including rise-to-span ratio, shell thickness and section area of the web members. Moreover, the above results were compared with those of the single-layer spherical lattice shell.
Secondly, dynamic characteristic of three-dimensional reticulated vierendeel shell was researched. Caculating the frequencies and mode shapes by subspace iteration method, and analyzing the influence on the natural frequency of three-dimensional reticulated vierendeel shell by different parameters including rise-to-span ratio, shell thickness, section area of the web member, load size and the support restraint.
Finally, the earthquake response analysis was studied by using response spectrum method and time history analysis method for three-dimensional reticulated vierendeel shell. The seismic dynamic response and displacement changes were carried out under the horizontal, vertical and combinations of horizontal and vertical earthquake actions. By comparing the results of response spectrum method with the results of time history analysis method, some valuable references were concluded for the seismic design of this structure.
本文首先对三向球面空腹网壳进行了特征值屈曲分析和几何非线性稳定分析。计算了三向球面空腹网壳的屈曲荷载和屈曲模态；分析了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面等参数对三向球面空腹网壳极限承载力的影响；并将其结果与单层三向网格球面网壳的稳定性能进行了对比研究。
其次,本文分析了三向球面空腹网壳的动力特性,采用子空间迭代法计算出结构的自振频率和振型,研究了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面、荷载大小以及支座约束等参数对该结构自振频率的影响。
最后,本文采用反应谱法和时程分析法对三向球面空腹网壳进行了地震响应研究。分析了结构在水平方向、竖向以及水平和竖向地震同时作用下的动力响应和位移变化情况,比较了反应谱法和时程分析法所得的结果,为该类结构的抗震设计提供了有价值的参考。
Three-dimensional Reticulated Vierendeel Shell is a new form of space structures, which can be seen as two same curvature single-layer spherical lattice shells with three-dimensional grids only connected by web members, and all web members point to curvature center. In order to grasp the mechanical characteristics of this structure, the stability and seismic performance were studied by ANSYS in this paper.
Firstly, eigenvalue buckling analysis and geometrical nonlinear stability analysis of three-dimensional reticulated vierendeel shell were investigated. And calculating the buckling load and the buckling mode, analyzing the influence on the ultimate strength of this structure by different parameters including rise-to-span ratio, shell thickness and section area of the web members. Moreover, the above results were compared with those of the single-layer spherical lattice shell.
Secondly, dynamic characteristic of three-dimensional reticulated vierendeel shell was researched. Caculating the frequencies and mode shapes by subspace iteration method, and analyzing the influence on the natural frequency of three-dimensional reticulated vierendeel shell by different parameters including rise-to-span ratio, shell thickness, section area of the web member, load size and the support restraint.
Finally, the earthquake response analysis was studied by using response spectrum method and time history analysis method for three-dimensional reticulated vierendeel shell. The seismic dynamic response and displacement changes were carried out under the horizontal, vertical and combinations of horizontal and vertical earthquake actions. By comparing the results of response spectrum method with the results of time history analysis method, some valuable references were concluded for the seismic design of this structure.
引文
[1]董石麟,赵阳.论空间结构的形式和分类.土木工程学报,2004,37(1)：7-12
[2]沈世钊.大跨空间结构的发展—回顾和展望.土木工程学报,1998,31(3)：5-14
[3]董石麟,罗尧治,赵阳.大跨度空间结构的工程实践与学科发展.空间结构,2005,11(4)：3-8
[4]蓝天.空间钢结构的应用与发展.建筑结构学报,2001,22(4)：2-8
[5]张毅刚,薛素铎,杨庆山等.大跨度空间结构.北京,机械工业出版社,2005
[6]王秀丽.大跨度空间钢结构分析与概念设计.北京,机械工业出版社,2008
[7]董石麟,罗尧治,赵阳等.新型空间结构分析、设计与施工.北京,人民交通出版社,2006
[8]刘锡良,韩庆华.网格结构设计与施工.天津,天津大学出版社,2004
[9]鲍科峰.正交空腹网壳结构的静、动力性能研究.浙江大学硕士学位论文,2004
[10]王正光,刘福祺,林胜良.某正交空腹网壳结构抗震性能分析.钢结构,2006,21(6)：1-3
[11]鲍科峰,马文宏,杜文风等.平面空腹拱静力性能分析.工业建筑,2006,36(3)：91-94
[12]马克俭,张华刚,肖建春等.中国钢筋混凝土空间网格结构新体系的开拓与发展(上).中国工程科学,2008,10(7)：4-17
[13]马克俭,黄勇,肖建春.钢筋混凝土网架与空腹夹层板空间结构的研究与应用综述.空间结构,1995,1(3)：28～36
[14]马克俭,张华刚,郑涛.新型建筑空间网格结构理论与实践.北京,人民交通出版社,2006
[15]位翠霞.从刚度分析看空腹网架与空腹夹层板的力学本质.浙江大学硕士学位论文,2007
[16]Kajima. Akita Sky Dome.Journal of International Association for Shell and Spatial Structures:IASS,2001 (2)
[17]贾凡,徐国彬,杨维国.国家大剧院建模分析.钢结构,2001,16(6)：16～18
[18]郭全全,张文芳,吴桂英.中国国家大剧院结构地震分析.工程力学,2003,20(2)：43～48
[19]董石麟,钱若军.空间网格结构分析理论与计算方法.北京,中国建筑工业出版社,2000
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[22]F.F.Pozo. Buckling of Ribbed Spherical Shells. Proc.IASS, Madrid,1976
[23]胡学仁.穹顶网壳的稳定计算.第四届空间结构学术会议论文集,1988,525～536
[24]董石麟.网状球状网壳的连续化分析方法.第四届空间结构学术会议论文集,1988,513～524
[25]尹德钰,刘善维,钱若军.网壳结构设计.北京,中国建筑工业出版社,1996
[26]张华刚,马克俭,黄勇等.肋环型球面空腹网壳结构的静力性能分析.空间结构,2009,15(2)：3-8
[27]沈世钊,陈听.网壳结构稳定性.北京,科学出版社,1999
[28]周运朱.复杂曲面单层网壳结构的非线性稳定分析.浙江大学硕士学位论文,2008
[29]苏慈.大跨度刚性空间刚结构极限承载力研究.同济大学博士学位论文,2006
[30]程春兰.大跨度单层椭球面网壳结构的稳定性分析.同济大学硕士学位论文,2008
[31]王新敏.ANSYS工程结构数值分析.北京,人民交通出版社,2007
[32]徐爱敏,陈衡治,谢旭.结构极限承载力计算方法与其收敛性.中国公路学报,2006,19(5)：65～70
[33]李华.大跨度单层椭球面网壳结构静、动力性能研究.同济大学硕士学位论文,2006
[34]向天宇,赵人达,刘海波.将弧长法应用于结构的几何非线性有限元分析.四川建筑科学研究,2003,29(2)：6-7
[35]Crisfield M.A. An Arc-Length Method Including Line Searches and Accelerations. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol,19,1983:1269～1289
[36]Li Yuanqi, Shen Zuyan. Improvements On The Arc-Length-Type Method. Acta Mechanica Sinaca,2004,20 (5):541～550
[37]R.W克拉夫,J.彭津.结构动力学.北京,科学出版社,1981
[38]丰定国.工程结构抗震.北京,地震出版社,2005
[39]尚晓江,邱峰,赵海峰等.ANSYS有限元高级分析方法与范例应用.北京,中国水利水电出版社,2006
[40]曹资,薛素铎.空间结构抗震理论与设计.北京,科学出版社,2005
[41]李靖.空间网架自振特性和地震响应分析.湖南大学硕士学位论文,2007
[42]程蓓.双层扁球网壳的静力与动力性能分析.南京理工大学硕士学位论文,2003
[43]郭宏超.球面巨型网格结构的动力特性与地震响应研究.西安建筑科技大学硕士学位论文,2008
[44]石异.大矢跨比开孔单层球面网壳的设计与分析.清华大学硕士学位论文,2007
[45]刘庆林.传统反应谱CQC法研究与改进.浙江大学博士学位论文,2007
[46]孙建梅.多点输入下大跨空间结构抗震性能和分析方法的研究.东南大学博士学位论文,2005
[47]汪洪军.大跨度悬索拱屋盖的计算和设计理论.同济大学博士学位论文,2007
[48]任俊超.大跨度空间斜拉结构的抗震反应分析与设计方法研究.同济大学博士学位论文,2007
[49]建筑抗震设计规范(GB50011-2001).北京,中国建筑工业出版社,2002
[50]王彬.大跨度空间结构风振和地震响应分析—程序编制和实用方法.浙江大学硕士学位 论文,2007
[51]陈凯.张拉柱面巨型网格结构静、动力性能研究.西安建筑科技大学硕士学位论文,2008
[52]姚谦峰,苏三庆.地震工程.西安,陕西科学技术出版社,2001
[53]网壳结构技术规程(JGJ61-2003).北京,中国建筑工业出版社,2003
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