空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與理-課件

1、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與理穩(wěn)定的基本理論、數(shù)值計(jì)算與設(shè)計(jì)方法 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院 2019.6.25 張其林一、空間結(jié)構(gòu)的演變與發(fā)展二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法五、若干工程實(shí)例六、結(jié)論內(nèi)容：內(nèi)容：一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法五、若干工程實(shí)例六、結(jié)論建筑師工程師藝術(shù)美觀理念寓意技術(shù)安全經(jīng)濟(jì)合理形力材料發(fā)展、理論方法、工具手段、一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展原始材料：土、木、石 石壘、石砌技術(shù) 拱、穹頂技術(shù)1.材料發(fā)展的影響一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展工業(yè)革命的偉大成果

2、 人造材料：鋼鐵、水泥、玻璃1777-1779：金屬作為結(jié)構(gòu)材料最早以鑄鐵的形式 應(yīng)用于英格蘭一座30m跨的拱中；1780-1820：建造了若干鑄鐵橋梁；1846-1850：建造了威爾士橫跨Menai海峽的Brittania橋 1840：鍛鐵開始代替鑄鐵 1855：底吹酸性轉(zhuǎn)爐法使得鋼材可以廉價(jià)地大量生產(chǎn) 1989：可以生產(chǎn)165MPa-690MPa的型鋼一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響工業(yè)革命的偉大成果 人造材料 鐵和鋼的應(yīng)用 （始于19世紀(jì)） 一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響 工業(yè)革命的偉大成果 人造材料 鋼筋混凝土的應(yīng)用 （始

3、于20世紀(jì)） 一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響 高強(qiáng)度拉索、新型復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)工程中的廣泛應(yīng)用 索、膜、充氣等輕型柔性結(jié)構(gòu)自上世紀(jì)中葉起開始出現(xiàn)，至本世紀(jì)迅猛發(fā)展、廣泛應(yīng)用一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響第一代結(jié)構(gòu)工程 原始材料（土、木、石） 框架、塔架、桁架、網(wǎng)格、殼體、預(yù)張力索、索網(wǎng)、索膜、充氣膜等結(jié)構(gòu)材料發(fā)展 豐富多彩的結(jié)構(gòu)體系 更多可能的結(jié)構(gòu)形和力 拱、穹結(jié)構(gòu)自適應(yīng)結(jié)構(gòu)、智能控制結(jié)構(gòu)數(shù)字化建造技術(shù)第二代結(jié)構(gòu)工程 工業(yè)革命后的人工材料（砼、鋼、玻璃） 第三代結(jié)構(gòu)工程 信息革命后的智能材

4、料 一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展1.材料發(fā)展的影響結(jié)構(gòu)的形與力： 2.方法工具發(fā)展的影響一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展數(shù)字化(CAE/CAD/CAPP/CAM)是一種全新的結(jié)構(gòu)建造方法和工具 FEA：是CAE/CAD/CAPP/CAM的基礎(chǔ)軟件 萌芽于18世紀(jì)(歐拉變分法)。起步于1956年，波音公司首次用于分析飛機(jī)機(jī)翼。命名于1960年。 第一代程序產(chǎn)自于Berkeley大學(xué)(無名稱)。第二代軟件：SAP和NONSAP。 1969年MSC公司推出NASTRAN。K.J.Bathe在NONSAP基礎(chǔ)上發(fā)表了ADINA。1972年HKS公司推出了ABAQUS。 ANSYS在1970年代推出。DYNA在19

5、80年代推出。MSC.DYTRAN于1993年推出。CAE/CAD/CAPP/CAM：1990年代普遍應(yīng)用以來，深刻地改變了結(jié)構(gòu)形與力的關(guān)系。一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展2.方法工具發(fā)展的影響一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展2.方法工具發(fā)展的影響 找形設(shè)計(jì)數(shù)字化建造技術(shù)自由形態(tài)設(shè)計(jì)一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展2.方法工具發(fā)展的影響3.數(shù)字化時(shí)代的挑戰(zhàn)和機(jī)遇一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展結(jié)構(gòu)藝術(shù)的當(dāng)代大師作品找形設(shè)計(jì)（Form-finding design）3.數(shù)字化時(shí)代的挑戰(zhàn)和機(jī)遇一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展自由形態(tài)設(shè)計(jì)(Free Form Design)3.數(shù)字化時(shí)代的挑戰(zhàn)和機(jī)遇一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展 自由形態(tài)設(shè)計(jì)

6、 任意傾斜或扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 3.數(shù)字化時(shí)代的挑戰(zhàn)和機(jī)遇一、空間結(jié)構(gòu)的演變和發(fā)展影響結(jié)構(gòu)安全性重要問題之一：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性？內(nèi)容：一、空間結(jié)構(gòu)的演變與發(fā)展二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法五、若干工程實(shí)例六、結(jié)論理想構(gòu)件的分枝型失穩(wěn)；實(shí)際構(gòu)件的極值型承載力；后屈曲性能；跳躍型失穩(wěn)；缺陷敏感型失穩(wěn)。二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念1. 后屈曲性能穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的屈曲后荷載可繼續(xù)增加屈曲后的平衡路徑是穩(wěn)定屈曲后降低荷載才能維持平衡屈曲后的平衡路徑是不穩(wěn)定的對(duì)穩(wěn)定設(shè)計(jì)而言， 荷載屈曲值十分重要 承載力 但屈曲后性能同樣十分重要 承載力和穩(wěn)定承載的可靠性二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)

7、定理論的若干基本概念2. 初始缺陷敏感性 二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念缺陷影響系數(shù)缺陷敏感型結(jié)構(gòu)后屈曲性能不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)缺陷敏感型結(jié)構(gòu)：極限承載力隨缺陷增大而顯著降低二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念3. 屈曲模式的相互作用整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定的相互作用 整體和局部屈曲臨界力接近時(shí)，產(chǎn)生相互作用效應(yīng)；相互作用不影響屈曲荷載值；相互作用影響了屈曲后性能 由穩(wěn)定的變?yōu)椴环€(wěn)定的，由缺陷不敏感的變?yōu)槊舾械?。二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念穩(wěn)定性能優(yōu)越的空間結(jié)構(gòu)： 穩(wěn)定承載力高 具有穩(wěn)定的后屈曲性能（屈曲后具有后繼強(qiáng)度） 對(duì)缺陷不敏感 前二階屈曲模態(tài)（整體和局部）不發(fā)生相互作用二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念內(nèi)容

8、：一、空間結(jié)構(gòu)的演變與發(fā)展二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法五、若干工程實(shí)例六、結(jié)論一階線性分析：在原位形上計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度、變形和內(nèi)力二階彈性分析：假定材料彈性，考慮幾何非線性效應(yīng)， 即考慮位形和內(nèi)力變化對(duì)剛度影響，計(jì)算變形和內(nèi)力二階彈塑性分析：考慮材料的彈塑性，考慮幾何非線性效應(yīng)。屈曲分析：在原位形上，考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力剛度和截面剛度的矩陣 特征值和特征向量，即屈曲臨界力和屈曲模態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算理論與方法三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的計(jì)算必須同時(shí)進(jìn)行屈曲分析和二階分析。屈曲分析 各階臨界力和對(duì)應(yīng)的屈曲模態(tài)（類型） 優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)漏過或越過第一或

9、最小臨界點(diǎn)，模態(tài)作為二階分析的缺陷分布 缺點(diǎn)：是原位形基礎(chǔ)上的近似解二階分析 求取與低階屈曲模態(tài)對(duì)應(yīng)的彈性或彈塑性極限承載力 優(yōu)點(diǎn)：考慮位形變化后的準(zhǔn)確解 缺點(diǎn)：可能漏過或越過第一或最小屈曲模態(tài)，得到第二模態(tài)對(duì)應(yīng)值第一屈曲模態(tài)qcr=512.176極限荷載分析的qu=115原因：幾何非線性效應(yīng)三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法第一屈曲點(diǎn)qcr=1712。對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)稱加載，qu=2790，越過第一點(diǎn)給定微小水平力，qu=1610。三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法第一屈曲點(diǎn)qcr=1712。第一屈曲點(diǎn)qcr=1712。對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)稱加載，qu=2790，越過第一點(diǎn)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算： 屈曲分析：求取結(jié)構(gòu)各

10、階臨界力和屈曲模態(tài) 第一屈曲模態(tài) 二階分析時(shí)的初始缺陷分布 最低臨界力 對(duì)比二階分析結(jié)果、避免越過第一臨界點(diǎn) 二階分析：得到彈性或彈塑性極限承載力， 作為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)的依據(jù)三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法內(nèi)容：一、空間結(jié)構(gòu)的演變與發(fā)展二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法五、若干工程實(shí)例六、結(jié)論原則：具有實(shí)際邊界的構(gòu)件和具有計(jì)算長度 的理想邊界構(gòu)件的屈曲荷載相等。（一）計(jì)算長度方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法1. 概念有側(cè)移情況：2. 框架結(jié)構(gòu)中的計(jì)算長度四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法無側(cè)移情況：四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法計(jì)算長度方法的問題： 與荷載

11、分布有關(guān)； 首先失穩(wěn)柱子的計(jì)算長度取值合理； 不失穩(wěn)柱子為失穩(wěn)柱提供了有利邊界約束，但其自身計(jì)算長度取值不合理（P=0 時(shí)=）。 有側(cè)移無側(cè)移四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法有側(cè)移和無側(cè)移框架計(jì)算長度確定的基本假定：同列柱同時(shí)屈曲，不考慮其他柱列對(duì)所考慮柱列的有利或不利影響。同一層左右橫梁轉(zhuǎn)角大小相等，方向相反（無側(cè)移）或方向相同（有側(cè)移）。屈曲時(shí)節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生的梁端不平衡力矩按節(jié)點(diǎn)處的線剛度正比例地分配給柱端。特點(diǎn)：排除了荷載與周邊柱列剛度對(duì)本柱子屈曲的影響，大部分情況下偏于安全或保守，少些情況偏于不安全。3. 框架柱計(jì)算長度的規(guī)范方法設(shè)計(jì)方法：線性方法計(jì)算內(nèi)力、取計(jì)算長度計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，按壓彎構(gòu)件驗(yàn)算

12、穩(wěn)定性對(duì)無支撐框架，宜二階彈性計(jì)算內(nèi)力，計(jì)算長度系數(shù)1.0計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法當(dāng)柱子僅采用一個(gè)單元進(jìn)行二階彈性計(jì)算時(shí)，得到的是柱子兩端的二階彎矩。根據(jù)Perry公式，可按下式考慮 P 效應(yīng)及柱身缺陷：4. 二階彈性內(nèi)力+1.0計(jì)算長度系數(shù)Perry公式：上式中，當(dāng)M=0 時(shí)，構(gòu)件軸力應(yīng)滿足計(jì)算長度系數(shù)等于1.0時(shí)的構(gòu)件軸心受壓穩(wěn)定極限承載力的要求，即：等效于：同時(shí)考慮P效應(yīng)和P效應(yīng)，采用多個(gè)單元模擬一個(gè)柱段，得到桿身最大內(nèi)力，驗(yàn)算極限強(qiáng)度或截面最大應(yīng)力。 四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法直接設(shè)計(jì)法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法（二）空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法和直接設(shè)計(jì)法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)方法：

13、計(jì)算長度法 適用于框架結(jié)構(gòu)、一般不適用于空間結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì) 二階彈性內(nèi)力+計(jì)算長度系數(shù)1.0 適用于無支撐框架結(jié)構(gòu)、可應(yīng)用于空間結(jié)構(gòu) 直接設(shè)計(jì)法 適用于任意結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 = 框架中柱子的穩(wěn)定性空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 = 空間結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的穩(wěn)定性 + 空間結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性 空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定設(shè)計(jì)： 具有明確計(jì)算長度的構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計(jì)可采用計(jì)算長度法（雙層網(wǎng)架中鉸接構(gòu)件等） 單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等構(gòu)件不宜采用計(jì)算長度法（無法求取計(jì)算長度系數(shù)） 建議方法：二階彈性內(nèi)力+計(jì)算長度系數(shù)1.0；直接設(shè)計(jì)法（構(gòu)件打斷為多個(gè)單元）空間結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定設(shè)計(jì)： 考慮缺陷、二階彈性分析，安全系數(shù)4.2； 考慮缺陷、二階彈塑

14、性分析，安全系數(shù)2.0。 四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法（三）二階彈性+計(jì)算長度系數(shù)1.0、直接設(shè)計(jì)法應(yīng)用的注意事項(xiàng)二階彈性 + 計(jì)算長度系數(shù)1.0 應(yīng)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)整體的缺陷分布，即 0 的影響。直接設(shè)計(jì)法 應(yīng)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)整體的缺陷分布 0 和構(gòu)件局部的缺陷分布 0 的影響 采用假想水平力與假想均布荷載考慮 0 和 0 時(shí)， 只能采用近似方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的近似彎矩， 不能與二階數(shù)值方法同時(shí)使用！近似公式穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)內(nèi)容：結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)：柱子穩(wěn)定 = 結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定空間結(jié)構(gòu)：體系整體穩(wěn)定 + 構(gòu)件穩(wěn)定穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法：計(jì)算長度法：構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計(jì)（框架柱及框架，網(wǎng)架構(gòu)件）二階彈性內(nèi)力+計(jì)

15、算長度系數(shù)1.0：無支撐框架，空間結(jié)構(gòu)構(gòu)件直接設(shè)計(jì)法：任意結(jié)構(gòu)構(gòu)件空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)：構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計(jì) （網(wǎng)架可用計(jì)算長度系數(shù)1.0；二階+1.0系數(shù)時(shí)取一個(gè)單元；直接設(shè)計(jì)法取多個(gè)單元）結(jié)構(gòu)體系整體穩(wěn)定（二階彈性+4.2安全系數(shù)；二階彈塑性+2.0安全系數(shù)?？扇∫粋€(gè)單元）假想集中力假想荷載 近似彎矩計(jì)算公式；二階分析 缺陷分布。四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法內(nèi)容：一、空間結(jié)構(gòu)的演變與發(fā)展二、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的若干基本概念三、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的數(shù)值計(jì)算方法四、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題的設(shè)計(jì)方法五、若干工程實(shí)例六、結(jié)論(一）吉林速滑館懸索屋蓋梁的穩(wěn)定設(shè)計(jì)五、若干工程實(shí)例 拱梁平面外失穩(wěn) 拱梁平面內(nèi)整體失穩(wěn)結(jié)構(gòu)第一屈曲模態(tài)：下

16、部拱梁平面外的彎扭失穩(wěn)，按壓彎構(gòu)件的穩(wěn)定設(shè)計(jì)公式進(jìn)行構(gòu)件的穩(wěn)定驗(yàn)算，不是淺拱的整體穩(wěn)定問題。結(jié)構(gòu)第一屈曲模態(tài)：下部拱梁的平面內(nèi)整體失穩(wěn)，參照網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)規(guī)程考慮幾何缺陷進(jìn)行幾何非線性極限承載力計(jì)算，考慮4.2的安全系數(shù)，必要時(shí)宜進(jìn)行彈塑性極限承載力計(jì)算。 屈曲分析獲得失穩(wěn)類別：(一）吉林速滑館懸索屋蓋梁的穩(wěn)定設(shè)計(jì)五、若干工程實(shí)例上下鉸接的軸心受壓三管桁架柱（梭形柱）原設(shè)計(jì)：三管桁架 + 三外側(cè)封板 構(gòu)成了三角形實(shí)腹式截面 穩(wěn)定控制、截面較?。I(yè)主語：腰身苗條、小姑娘）修改為三管桁架后，設(shè)計(jì)單位按空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定，取安全系數(shù)4.2， 導(dǎo)致較大截面（業(yè)主語：腰身臃腫、老大娘）(二）世博軸外桅桿的穩(wěn)定設(shè)

17、計(jì)五、若干工程實(shí)例梭形格構(gòu)式柱子的穩(wěn)定設(shè)計(jì)(二）世博軸外桅桿的穩(wěn)定設(shè)計(jì)五、若干工程實(shí)例應(yīng)參照構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計(jì)，不應(yīng)按網(wǎng)格結(jié)構(gòu)取彈性極限承載力的安全系數(shù)為4.2(二）世博軸外桅桿的穩(wěn)定設(shè)計(jì)五、若干工程實(shí)例三管桁架： 桿件穩(wěn)定 計(jì)算長度系數(shù)1.0，二階內(nèi)力驗(yàn)算 整體穩(wěn)定繞兩主軸支撐長度，可按格構(gòu)柱二管桁架： 桿件穩(wěn)定計(jì)算長度系數(shù)1.0，二階內(nèi)力驗(yàn)算 整體穩(wěn)定平面內(nèi)格構(gòu)柱，平面外單肢按支撐長度 也可通過數(shù)值分析計(jì)算其極限承載力 取1/1000彎曲缺陷， 二階內(nèi)力+計(jì)算長度系數(shù)1.0的構(gòu)件穩(wěn)定計(jì)算。 控制變形或長細(xì)比+一定的安全系數(shù) 彈性極限承載力+安全系數(shù)K=4.2 X 結(jié)構(gòu)非缺陷敏感型 (二）世博

18、軸外桅桿的穩(wěn)定設(shè)計(jì)五、若干工程實(shí)例（三）棗莊體育場外環(huán)梁穩(wěn)定設(shè)計(jì)63m五、若干工程實(shí)例序號(hào)屈曲特征值失穩(wěn)位置12.8888外圈梁23.2635外圈梁33.6692外圈梁43.7164外圈梁54.5934外圈梁64.8443外圈梁75.4582柱85.6801柱95.9479柱106.017柱屈曲特征值屈曲分析：2.88倍荷載下，外圈梁屈曲，2.884.2。設(shè)計(jì)荷載作用下內(nèi)力N0、M0，2.88xN0和2.88M0作用下失穩(wěn)。（三）棗莊體育場外環(huán)梁穩(wěn)定設(shè)計(jì)五、若干工程實(shí)例7163單元內(nèi)力對(duì)比1倍重力荷載2.88倍重力荷載P2.88/P1說明軸力N-0.31009E+08-0.30640E+080.99軸力差別不大剪力V2-0.64212E+07-0.20116E+083.13剪力V30.45261E+070.73573E+071.63扭矩T-0.43480E+06-0.11778E+072.71彎矩M2-0.28224E+06-0.78516E+062.78彎矩M3-19935.-0.17793E+068.93彎矩變化大，但數(shù)值總體較小內(nèi)力隨荷載變化關(guān)系