網(wǎng)殼結構的穩(wěn)定性學習教案

1、網(wǎng)殼結構網(wǎng)殼結構(jigu)的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性第一頁，共24頁。內(nèi)容內(nèi)容(nirng)概概要要一、概述一、概述二、網(wǎng)殼結構全過程分析方法及實例分析二、網(wǎng)殼結構全過程分析方法及實例分析三、單層球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定性三、單層球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定性四、規(guī)程關于網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性驗算四、規(guī)程關于網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性驗算(yn sun)的規(guī)定及說明的規(guī)定及說明第1頁/共24頁第二頁，共24頁。n網(wǎng)殼失穩(wěn)現(xiàn)象的分類網(wǎng)殼失穩(wěn)現(xiàn)象的分類(fn li)(fn li)：即整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)：即整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)n整體失穩(wěn)是幾乎整個結構都出現(xiàn)整體失穩(wěn)是幾乎整個結構都出現(xiàn)(chxin)(chxin)偏離平衡位置而發(fā)生很大幾何偏離平衡位置而發(fā)

2、生很大幾何變位的一種失穩(wěn)現(xiàn)象變位的一種失穩(wěn)現(xiàn)象n單根桿件失穩(wěn)是網(wǎng)殼中經(jīng)常發(fā)生的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，點失穩(wěn)則是另一種單根桿件失穩(wěn)是網(wǎng)殼中經(jīng)常發(fā)生的局部失穩(wěn)現(xiàn)象，點失穩(wěn)則是另一種(y zhn(y zhn) )局局部失穩(wěn)現(xiàn)象。網(wǎng)殼的整體失穩(wěn)往往是從局部失穩(wěn)開始并逐漸形成的部失穩(wěn)現(xiàn)象。網(wǎng)殼的整體失穩(wěn)往往是從局部失穩(wěn)開始并逐漸形成的一、概述一、概述第2頁/共24頁第三頁，共24頁。1.非線性連續(xù)化理論方法(擬殼法) 僅對少數(shù)特定的殼體(例如球面(qimin)殼)才能得出較實用的公式 無法反映實際網(wǎng)殼結構的不均勻構造和各向異性的特點 無法考慮不同荷載分布的影響一、概述一、概述(i sh)(i sh)n穩(wěn)定性分析

3、穩(wěn)定性分析(fnx)(fnx)是網(wǎng)殼結構、尤其是單層網(wǎng)殼結構設計中的關鍵問題是網(wǎng)殼結構、尤其是單層網(wǎng)殼結構設計中的關鍵問題* 網(wǎng)殼穩(wěn)定性評估的方法n空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程JGJ7-2010JGJ7-2010中中4.3.14.3.1條：單層網(wǎng)殼以及厚度條：單層網(wǎng)殼以及厚度小于跨度小于跨度1/501/50的雙層網(wǎng)殼均應進行穩(wěn)定性計算。的雙層網(wǎng)殼均應進行穩(wěn)定性計算。第3頁/共24頁第四頁，共24頁。2.模型試驗方法(fngf) 耗費時間，并且成本昂貴 無法考慮不同結構參數(shù)的影響3.非線性有限元荷載-位移全過程分析 可以精確地反映結構性能隨荷載變化的全貌 可以分析不同類型、不同網(wǎng)格、

4、不同結構參數(shù)和 不同荷載分布等多種情況 對工程設計人員而言比較復雜，較難掌握* 網(wǎng)殼穩(wěn)定性評估(pn )的方法第4頁/共24頁第五頁，共24頁。二、球面二、球面(qimin)(qimin)網(wǎng)殼全過程分析實例網(wǎng)殼全過程分析實例球殼結構球殼結構(jigu)(jigu)簡圖簡圖圖中數(shù)字表示網(wǎng)殼節(jié)點圖中數(shù)字表示網(wǎng)殼節(jié)點(ji din)(ji din)發(fā)生跳躍屈曲的順序發(fā)生跳躍屈曲的順序第5頁/共24頁第六頁，共24頁。網(wǎng)殼的全過程曲線(qxin)（節(jié)點1-6）第6頁/共24頁第七頁，共24頁。第7頁/共24頁第八頁，共24頁。 這些這些(zhxi)(zhxi)全過程曲線形態(tài)全過程曲線形態(tài)變化豐富，曲線

5、上每個臨界點對應變化豐富，曲線上每個臨界點對應以某個節(jié)點為主的跳躍屈曲（見節(jié)以某個節(jié)點為主的跳躍屈曲（見節(jié)點點2 2全過程）全過程）第8頁/共24頁第九頁，共24頁。網(wǎng)殼在加載過程中若干時刻(shk)的位移形態(tài) 屈曲范圍從屈曲范圍從一個主肋節(jié)點開一個主肋節(jié)點開始向周圍逐漸擴始向周圍逐漸擴散散(kusn)(kusn)，最后在網(wǎng)殼上形最后在網(wǎng)殼上形成一個很大的凹成一個很大的凹陷陷第9頁/共24頁第十頁，共24頁。網(wǎng)殼具有不同初始缺陷(形狀(xngzhun)偏差)時的全過程曲線 (假設初始形狀(xngzhun)偏差與網(wǎng)殼的一階屈曲模態(tài)吻合)1.1.隨著初始隨著初始(ch sh)(ch sh)缺陷缺陷

6、的增加，全過程曲線的變化具的增加，全過程曲線的變化具有明顯規(guī)律性。有明顯規(guī)律性。2.2.球殼對初始球殼對初始(ch sh)(ch sh)幾幾何缺陷非常敏感，當何缺陷非常敏感，當R=6cm(L/830),R=6cm(L/830),臨界荷載降低臨界荷載降低到完善殼的到完善殼的 55% 55%。第10頁/共24頁第十一頁，共24頁。* 單層球面網(wǎng)殼穩(wěn)定性分析(fnx)方案 網(wǎng)格劃分形式：網(wǎng)格劃分形式： Kiewitt (K-8,K-6); Kiewitt (K-8,K-6); 短程線型、肋環(huán)斜桿型短程線型、肋環(huán)斜桿型 跨度：跨度：L L4040，5050，6060，70m70m 矢跨比矢跨比: f/

7、L= 1/5,l/6,1/7, l/8.: f/L= 1/5,l/6,1/7, l/8. 截面尺寸：采用四套不同大小的桿件截面截面尺寸：采用四套不同大小的桿件截面 ( ( 按設計選擇截面按設計選擇截面 ) ) 初始初始(ch sh)(ch sh)幾何缺陷：完善殼、具有初始幾何缺陷：完善殼、具有初始(ch sh)(ch sh)缺陷缺陷( (最大安裝偏差最大安裝偏差 R= L/1000 - L/100) R= L/1000 - L/100)，采用一致缺陷模態(tài)法，采用一致缺陷模態(tài)法 不對稱荷載分布：不對稱荷載分布： p/g= 0,1/4,1/2. p/g= 0,1/4,1/2. (g (g滿跨均布恒

8、荷載滿跨均布恒荷載; p; p半跨均布活荷載半跨均布活荷載) )三、單層球面三、單層球面(qimin)(qimin)網(wǎng)殼的穩(wěn)定性網(wǎng)殼的穩(wěn)定性第11頁/共24頁第十二頁，共24頁。滿跨均布荷載(hzi)下K8型網(wǎng)殼的全過程曲線點線點線帶缺陷帶缺陷(quxin)實線實線完善完善(wnshn)殼殼第12頁/共24頁第十三頁，共24頁。球面(qimin)網(wǎng)殼的屈曲模態(tài) 球面網(wǎng)殼的屈曲多數(shù)球面網(wǎng)殼的屈曲多數(shù)情況下表現(xiàn)為殼面上一個情況下表現(xiàn)為殼面上一個或若干個局部凹陷的形式，或若干個局部凹陷的形式，這種凹陷從某一節(jié)點的跳這種凹陷從某一節(jié)點的跳躍屈曲開始，凹陷的范圍躍屈曲開始，凹陷的范圍逐漸逐漸(zhjin

9、)(zhjin)擴大。擴大。 Kiewitt Kiewitt 網(wǎng)殼屈曲從網(wǎng)殼屈曲從主肋節(jié)點開始；肋環(huán)斜桿主肋節(jié)點開始；肋環(huán)斜桿型一般從第三環(huán)型一般從第三環(huán)( (自外圈自外圈算起算起) ) 上某一結點開始；上某一結點開始；短程線型網(wǎng)殼則從三角形短程線型網(wǎng)殼則從三角形球面上某一結點開始球面上某一結點開始第13頁/共24頁第十四頁，共24頁。 不同(b tn)荷載分布對球面網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響p/g= 0,1/4,1/2三條曲線幾乎(jh)完全重合第14頁/共24頁第十五頁，共24頁。初始缺陷大小對球面(qimin)網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響 (r=0,3,6,10,20,30,40,50,60cm) (r=0,

10、3,6,10,20,30,40,50,60cm) 不同初始缺陷不同初始缺陷(quxin)(quxin)時的全過程時的全過程曲線曲線Kiewitt 網(wǎng)殼網(wǎng)殼 ( (D=60m) )畸變(jbin)結構第15頁/共24頁第十六頁，共24頁。 開始階段，極限荷載隨缺陷增大迅速下降，至缺陷為開始階段，極限荷載隨缺陷增大迅速下降，至缺陷為20cm 20cm (L/300)(L/300)時達最小值，此時極限荷載為完善網(wǎng)殼的時達最小值，此時極限荷載為完善網(wǎng)殼的5050左右。缺陷再進左右。缺陷再進一步增大時，網(wǎng)殼己嚴更偏離一步增大時，網(wǎng)殼己嚴更偏離(pinl)(pinl)原來的球面形狀，受力也偏原來的球面形狀

11、，受力也偏離離(pinl)(pinl)薄膜內(nèi)力主導狀態(tài)，變成了一種薄膜內(nèi)力主導狀態(tài)，變成了一種“畸形結構畸形結構”。 事實上，當初始缺陷超過一定限度后，這種具有過大初始缺陷的事實上，當初始缺陷超過一定限度后，這種具有過大初始缺陷的網(wǎng)殼剛度很小，位移發(fā)展很快，盡管荷載可能保持上升趨勢，但在工網(wǎng)殼剛度很小，位移發(fā)展很快，盡管荷載可能保持上升趨勢，但在工程上已沒有意義。程上已沒有意義。L/500L/300的安裝(nzhung)偏差定為球面網(wǎng)殼可以接受的最大允許缺陷；把理想網(wǎng)殼極限荷載的50定為實際網(wǎng)殼的極限承載力第16頁/共24頁第十七頁，共24頁。l. l. 球面網(wǎng)殼均表現(xiàn)球面網(wǎng)殼均表現(xiàn)(biox

12、in)(bioxin)出極佳空間工作性能，因而荷載的出極佳空間工作性能，因而荷載的不對稱分布對它們的極限荷載幾乎沒有影響。因而實際應用時，荷不對稱分布對它們的極限荷載幾乎沒有影響。因而實際應用時，荷載按恒荷載按恒荷+ +活荷滿跨均布考慮?；詈蓾M跨均布考慮。2.2.從實用角度，似乎可以將從實用角度，似乎可以將L/500L/300L/500L/300的安裝偏差定為球面網(wǎng)殼可的安裝偏差定為球面網(wǎng)殼可以接受的最大允許缺陷；同時把理想網(wǎng)殼極限荷載的以接受的最大允許缺陷；同時把理想網(wǎng)殼極限荷載的5050定為實際定為實際網(wǎng)殼的極限承載力。網(wǎng)殼的極限承載力。n空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程JGJ7-

13、2010JGJ7-2010中中4.3.44.3.4條：進行網(wǎng)殼全過程分析條：進行網(wǎng)殼全過程分析(fnx)(fnx)求得的第一個臨界點處的荷載值，可作為網(wǎng)殼的穩(wěn)定極限承載力。求得的第一個臨界點處的荷載值，可作為網(wǎng)殼的穩(wěn)定極限承載力。第17頁/共24頁第十八頁，共24頁。 采用回歸分析采用回歸分析(fnx)(fnx)的方法為球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定驗算推導的方法為球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定驗算推導一個適當?shù)臄M合公式，借鑒殼體穩(wěn)定性的線彈性解析公式：一個適當?shù)臄M合公式，借鑒殼體穩(wěn)定性的線彈性解析公式： r r 球面的曲率半徑球面的曲率半徑(m)(m)； Be Be網(wǎng)殼的等效薄膜剛度網(wǎng)殼的等效薄膜剛度(kN/m)(kN/m

14、)； De De網(wǎng)殼的等效抗彎剛度網(wǎng)殼的等效抗彎剛度(kNm);(kNm); k k 待定擬合待定擬合(n h)(n h)系數(shù)系數(shù) qcr qcr穩(wěn)定極限承載力穩(wěn)定極限承載力2eecrB Dqkr第18頁/共24頁第十九頁，共24頁。 平均值平均值 / 95% / 95%保證率的取值保證率的取值( (針對理想網(wǎng)殼、線彈性材料計算結果針對理想網(wǎng)殼、線彈性材料計算結果) ) k = 2.34 / 2.18 , K8 k = 2.34 / 2.18 , K8型網(wǎng)殼型網(wǎng)殼 k = 2.52 / 2.27 , K6 k = 2.52 / 2.27 , K6型網(wǎng)殼型網(wǎng)殼 k = 2.24 / 2.07 ,

15、 k = 2.24 / 2.07 ,短程短程(dun chn(dun chn) )線型網(wǎng)殼線型網(wǎng)殼 k = 2.30 / 2.17 , k = 2.30 / 2.17 ,肋環(huán)斜桿型網(wǎng)殼肋環(huán)斜桿型網(wǎng)殼對理想網(wǎng)殼的系數(shù)(xsh) K（回歸得到） 平均平均(pngjn)(pngjn)取值為取值為 2.17 2.17 綜合考慮各種因素（折減系數(shù)為綜合考慮各種因素（折減系數(shù)為0.5，主要為初始缺陷影，主要為初始缺陷影響響） ，最后建議對各類實際球面網(wǎng)殼的極限承載力統(tǒng)一按，最后建議對各類實際球面網(wǎng)殼的極限承載力統(tǒng)一按如下公式計算：如下公式計算：21.05eecrB Dqr第19頁/共24頁第二十頁，共24

16、頁。 qksqks穩(wěn)定穩(wěn)定(wndng)(wndng)容許承載力容許承載力適用范圍：跨度小于適用范圍：跨度小于50m50m20.25eeksB Dqrn空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程JGJ7-2010JGJ7-2010中中4.3.44.3.4條：網(wǎng)殼條：網(wǎng)殼穩(wěn)定容許承載力穩(wěn)定容許承載力qksqks（荷載（荷載(hzi)(hzi)取標準值）應等取標準值）應等于網(wǎng)殼穩(wěn)定極限承載力于網(wǎng)殼穩(wěn)定極限承載力qcrqcr除以安全系數(shù)除以安全系數(shù)K K。當按彈塑性。當按彈塑性全過程分析時，安全系數(shù)全過程分析時，安全系數(shù)K K可取為可取為2.02.0；當按彈性全過程；當按彈性全過程分析時，安全系數(shù)分析

17、時，安全系數(shù)K K可取可取4.24.2。第20頁/共24頁第二十一頁，共24頁。四、其它關于網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性驗算問題四、其它關于網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性驗算問題(wnt)(wnt)的說明的說明1. 1. 單層網(wǎng)殼和厚度較小的雙層網(wǎng)殼均存在總體失穩(wěn)單層網(wǎng)殼和厚度較小的雙層網(wǎng)殼均存在總體失穩(wěn)( (包括局部殼面失穩(wěn)包括局部殼面失穩(wěn)) )的可能性；的可能性；設計某些單層網(wǎng)殼時，穩(wěn)定性還可能起控制作用，因而對這些網(wǎng)殼應進行穩(wěn)定設計某些單層網(wǎng)殼時，穩(wěn)定性還可能起控制作用，因而對這些網(wǎng)殼應進行穩(wěn)定性計算。性計算。 * * 對鞍形網(wǎng)殼來說，建議采用結構整體剛度驗算來代替復雜的穩(wěn)定性驗算。對鞍形網(wǎng)殼來說，建議采用結構整體剛

18、度驗算來代替復雜的穩(wěn)定性驗算。2. 2. 結構荷載結構荷載- -位移全過程分析可以把結構強度、穩(wěn)定乃至剛度等性能的整個變化歷位移全過程分析可以把結構強度、穩(wěn)定乃至剛度等性能的整個變化歷程表示得十分清楚，因而可以從最精確的意義上來研究結構的穩(wěn)定性問題。程表示得十分清楚，因而可以從最精確的意義上來研究結構的穩(wěn)定性問題。 僅考慮幾何非線性的荷載僅考慮幾何非線性的荷載- -位移全過程分析方法已相當成熟。因而現(xiàn)在完全有位移全過程分析方法已相當成熟。因而現(xiàn)在完全有可能要求對實際大型可能要求對實際大型(dxng)(dxng)網(wǎng)殼結構進行考慮幾何非線性的荷載網(wǎng)殼結構進行考慮幾何非線性的荷載- -位移全位移全過

19、程分析，在此基礎上，確定其穩(wěn)定性承載力。過程分析，在此基礎上，確定其穩(wěn)定性承載力。 * * 如果全過程分析中還要進一步考慮材料的彈塑性能，方法就繁復得多，如果全過程分析中還要進一步考慮材料的彈塑性能，方法就繁復得多，目前還不宜對多數(shù)工程提出這一要求。目前還不宜對多數(shù)工程提出這一要求。第21頁/共24頁第二十二頁，共24頁。3. 3. 設網(wǎng)殼受恒載設網(wǎng)殼受恒載g g和活載和活載q q作用，且其穩(wěn)定性承載力以作用，且其穩(wěn)定性承載力以(g+q)(g+q)來衡量，分析表明，來衡量，分析表明，荷載的不對稱分布荷載的不對稱分布( (實際計算中取活載的半跨分布實際計算中取活載的半跨分布) )對球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定

20、性承載對球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定性承載力無不利影響，對四邊支承的柱面網(wǎng)殼當其長寬比上力無不利影響，對四邊支承的柱面網(wǎng)殼當其長寬比上L/B 1.2L/B 1.2時，活載的半時，活載的半跨分布對網(wǎng)殼穩(wěn)定性承載力有一定影響。對橢圓拋物面網(wǎng)殼和兩端支承的圓跨分布對網(wǎng)殼穩(wěn)定性承載力有一定影響。對橢圓拋物面網(wǎng)殼和兩端支承的圓柱面網(wǎng)殼，這種影響則較大，應在計算中考慮柱面網(wǎng)殼，這種影響則較大，應在計算中考慮( (參加規(guī)程參加規(guī)程4.3.34.3.3條條) ) 。 4. 4. 網(wǎng)殼缺陷包括節(jié)點位置的安裝偏差、桿件的初彎曲、桿什對節(jié)點的偏心等，網(wǎng)殼缺陷包括節(jié)點位置的安裝偏差、桿件的初彎曲、桿什對節(jié)點的偏心等，后面兩項是與桿

21、件有關的缺陷。后面兩項是與桿件有關的缺陷。 在分析網(wǎng)殼穩(wěn)定性時有一個前提，即網(wǎng)殼所有桿件在強度設計階段是都已經(jīng)在分析網(wǎng)殼穩(wěn)定性時有一個前提，即網(wǎng)殼所有桿件在強度設計階段是都已經(jīng)過設計計算保證了強度和穩(wěn)定性的。這樣，與桿件有關的缺陷對網(wǎng)殼總體穩(wěn)過設計計算保證了強度和穩(wěn)定性的。這樣，與桿件有關的缺陷對網(wǎng)殼總體穩(wěn)定性定性( (包括局部殼面失穩(wěn)問題包括局部殼面失穩(wěn)問題) )的影響就自然地被限制在一定范圍內(nèi)，因而此的影響就自然地被限制在一定范圍內(nèi)，因而此處主要考慮了網(wǎng)殼初始幾何缺陷處主要考慮了網(wǎng)殼初始幾何缺陷( (節(jié)點位置偏差節(jié)點位置偏差) )對穩(wěn)定性的影響。對穩(wěn)定性的影響。 * * 至于缺陷的最大值，按理應采用至于缺陷的最大值，按理應采用(ciyng)(ciyng)施工中的容許最大安裝偏差施工中的容許最大安裝偏差；但大量實例表明，當缺陷達到跨度的；但大量實例表明，當缺陷達到跨度的1/3001/300左右時，其影響才充分