CN110984386B - 一种实现单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断及其设计方法,在对网壳结构地震作用下的动力稳定分析过程中,对提前发生动力屈曲的单杆进行了判断和重新设计,并对重新设计的网壳结构进行了动力稳定分析,网壳结构的显著地提高了整体稳定承载能力,并显著提网壳结构的抗震性能。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域,涉及一种单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断及其设计方法。
背景技术
大跨空间结构地震动力效应和致灾机理是国内外的一个重点研究方向。从外部环境看,我国地震活动频度高、强度大、分布广,是世界上大陆强震最多和地震灾害最严重的国家;从内在特征看,大跨空间结构跨度大、体量广、受众多,属于城市重要生命线工程,其中不乏在震后还常成为人们的避难场所,一旦其遭遇强震发生破坏,势必引起交通运输功能中断,导致生命财产损失,产生重大社会影响。
网壳结构是众多空间结构中常用结构形式之一,在其设计过程中稳定性往往起控制作用。由于地震作用的突发性和破坏性,研究地震作用下单层网壳结构的动力稳定问题是当前工程设计人员和科研人员研究重点关注的领域。单层网壳作为多自由度体系,并且具有三维空间构型,其动力稳定问题异常复杂。网壳结构现有设计中未考虑结构动力稳定的影响,大多数研究中也主要集中对网壳整体结构动力稳定的研究,没有考虑单根单杆屈曲对结构整体动力稳定的影响。那么,如何防止单层网壳结构在地震作用下发生整体动力屈曲前,保证网壳结构中的单杆不提前发生动力屈曲,是当前单层网壳结构研究领域面临的重要课题。
发明内容
为了克服网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断及其设计等现有技术或分析中存在的缺陷,本发明提供一种单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断及其设计方法,通过网壳结构中单杆动力屈曲准则和设计方法的提出,可对网壳结构中单杆的动力屈曲进行判断,并进行截面重新设计或构造,以提高单杆和网壳结构的抗震性能。本申请发明中的设计的含义可以理解为构造。
为了实现上述的目的,本发明提出一种实现单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断及其设计方法,主要包括以下步骤:
步骤一、进行网壳结构增量动力时程分析。
建立网壳结构整体有限元分析模型,输入地震波时程,进行1个完整周期的弹塑性动力时程分析;按比例系数λ调整1次地震波峰值amax,重复进行1次完整周期的弹塑性动力时程分析。
比例系数λ定义为:
式中,amax为调整后的地震波峰值;a0,max初始地震波峰值。
步骤二、提取节点的最大动力位移与动力加速度的关系曲线1和单杆最大受压轴力与动力加速度的关系曲线2。
假定R(n,t)为网壳结构在地震波a(t)下某一单元在某一时刻的响应,则网壳某单元在一次完整的时程分析过程中的响应量最大值,具体描述如下:
式中,N为网壳结构单元总数,j为所要考察单元编号,1≤j≤N;T为一个完整计算周期,0≤t≤T。
根据上述方法,每完成1次完整周期的弹塑性动力时程分析,总可以找到1个点(amax,Rmax(j,t)),重复上述操作就可以找到一系列的点,连接这些点就可以形成1条完整的连续曲线。如果每次找点(amax,umax(j,t)),就可以获取单杆上节点的最大动力位移umax与动力加速度amax的关系曲线1;同理,如果每次找点(amax,Nmax(j,t)),就可以获取单杆的最大受压轴力Nmax与动力加速度amax的关系曲线2。
步骤三、判断网壳单杆是否发生动力屈曲。
网壳结构单杆的动力屈曲判断准则,可以描述为:
条件1:节点最大动力位移随着动力加速度的增大而增大,动力加速度的微小增量导致节点的位移时程曲线明显偏离原振荡平衡位置的现象出现;
条件2:单杆最大受压轴力随着动力加速度的增大而增大,动力加速度微小的增量导致单杆的最大受压轴力突然减小的现象出现。
若单杆上节点的最大动力位移及其最大受压轴力同时满足以上2个条件,则认为该单杆发生动力屈曲。
如果曲线1满足判定准则条件1,在此基础上,继续判断曲线2是否满足判定准则条件2;如果同时满足判定准则条件1和2,则可认为该单杆已动力屈曲。
步骤四、如果判定单杆发生了屈曲,则按照单杆动内力放大系数调整设计内力,重新配置单杆截面尺寸。
动内力放大系数α定义为:
式中,Nmax意义同步骤二,即单杆动力屈曲前时程分析过程中单杆的最大受压轴力;N0为网壳结构静力设计时对应的单杆轴向压力。
该式(3)适用于静力情况下设计时为压杆的单杆;若为静力设计时为拉杆的单杆在地震作用下发生动力屈曲,则需要将该拉杆按照Nmax进行压杆稳定设计。
步骤五、如果曲线1或2中任一曲线不满足其对应的判定准则条件1或2,则判断单杆满足动力稳定要求,说明不需调整单杆截面尺寸,原设计方案中的单杆满足抗震设计要求。
本发明采用在网壳结构地震动力作用下对单杆动力稳定进行判别及设计,提供一种单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断与设计方法。在对网壳结构地震作用下的动力稳定分析过程中,对提前发生动力屈曲的单杆进行了判断和重新设计,并对重新设计的网壳结构进行了动力稳定分析,网壳结构的整体稳定承载能力最多可提高74.1%,显著提网壳结构的抗震性能。
附图说明
图1为V型支承网壳结构示意图;
图2为地震加速度峰值为3.7m/s2时网壳结构中特征单杆的轴力-时程曲线;
图3为地震加速度峰值为4.1m/s2时网壳结构中特征单杆的轴力-时程曲线;
图4为地震加速度峰值为4.4m/s2时网壳结构中特征单杆的轴力-时程曲线;
图5为地震加速度峰值为4.7m/s2时网壳结构中特征单杆的轴力-时程曲线;
图6为网壳结构中特征单杆的加速度峰值-轴力压力曲线;
图7为预应力拉索设计参数确定流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
步骤一、进行网壳结构增量动力时程分析。
建立网壳结构整体有限元分析模型,输入地震波时程,进行1个完整周期的弹塑性动力时程分析;按比例系数λ调整1次地震波峰值amax,重复进行1次完整周期的弹塑性动力时程分析。
比例系数λ定义为:
式中,amax为调整后的地震波峰值;a0,max初始地震波峰值。
步骤二、提取节点的最大动力位移与动力加速度的关系曲线1和单杆最大受压轴力与动力加速度的关系曲线2。
假定R(n,t)为网壳结构在地震波a(t)下某一单元在某一时刻的响应,则网壳某单元在一次完整的时程分析过程中的响应量最大值,具体描述如下:
式中,N为网壳结构单元总数,j为所要考察单元编号,1≤j≤N;T为一个完整计算周期,0≤t≤T。
根据上述方法,每完成1次完整周期的弹塑性动力时程分析,总可以找到1个点(amax,Rmax(j,t)),重复上述操作就可以找到一系列的点,连接这些点就可以形成1条完整的连续曲线。如果每次找点(amax,umax(j,t)),就可以获取单杆上节点的最大动力位移umax与动力加速度amax的关系曲线1;同理,如果每次找点(amax,Nmax(j,t)),就可以获取单杆的最大受压轴力Nmax与动力加速度amax的关系曲线2。
步骤三、判断网壳单杆是否发生动力屈曲。
网壳结构单杆的动力屈曲判断准则,可以描述为:
条件1:节点最大动力位移随着动力加速度的增大而增大,动力加速度的微小增量导致节点的位移时程曲线明显偏离原振荡平衡位置的现象出现;
条件2:单杆最大受压轴力随着动力加速度的增大而增大,动力加速度微小的增量导致单杆的最大受压轴力突然减小的现象出现。
若单杆上节点的最大动力位移及其最大受压轴力同时满足以上2个条件,则认为该单杆发生动力屈曲。
如果曲线1满足判定准则条件1,在此基础上,继续判断曲线2是否满足判定准则条件2;如果同时满足判定准则条件1和2,则可认为该单杆已动力屈曲。
步骤四、如果判定单杆发生了屈曲,则按照单杆动内力放大系数调整设计内力,重新配置单杆截面尺寸。
动内力放大系数α定义为:
式中,Nmax意义同式(2),即单杆动力屈曲前时程分析过程中单杆的最大受压轴力;N0为网壳结构静力设计时对应的单杆轴向压力。
该式(3)适用于静力情况下设计时为压杆的单杆;若为静力设计时为拉杆的单杆在地震作用下发生动力屈曲,则需要将该拉杆按照Nmax进行压杆稳定设计。
如图7所示,单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断与设计方法流程也可以概括为以下的步骤:
(1)进行网壳结构增量动力时程分析。建立网壳结构整体有限元分析模型,输入地震波时程,进行1个完整周期的弹塑性动力时程分析;按比例系数λ调整1次地震波峰值amax,重复进行1次完整周期的弹塑性动力时程分析。
(2)获取单杆上节点的最大动力位移umax与动力加速度amax的关系曲线1和单杆的最大受压轴力Nmax与动力加速度amax的关系曲线2。
(3)判断网壳单杆是否发生动力屈曲。如果曲线1满足判定准则条件1,在此基础上,继续判断曲线2是否满足判定准则条件2;如果同时满足判定准则条件1和2,则可认为该单杆已发生动力屈曲。
(4)如果判定单杆发生了屈曲,对于静力设计下是受轴向压力的单杆,则按照单杆动内力放大系数调整设计内力,重新配置单杆截面尺寸;对于静力设计时为受轴向拉力的单杆在地震作用下发生动力屈曲,则需要将该拉杆按照Nmax进行压杆稳定设计。
(5)如果曲线1或2中任一曲线不满足其对应的判定准则条件1或2,则判断单杆满足动力稳定要求,说明不需调整单杆截面尺寸,原设计方案中的单杆满足抗震设计要求。
对于单层网壳的网格可以采用凯威特型、短程线型、三向型,三角形网格或全刚接四边形网格
本领域技术人员可以理解,实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory,RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive,缩写:HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive,SSD)等;所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
应当理解的是,本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理,而不构成对本申请的限制。因此,在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的保护范围之内。此外,本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (4)
1.一种实现单层网壳结构在地震作用下单杆的动力屈曲判断的方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、进行网壳结构增量动力时程分析
建立网壳结构整体有限元分析模型,输入地震波时程,进行1个完整周期的弹塑性动力时程分析;按比例系数λ调整1次地震波峰值amax,重复进行1次完整周期的弹塑性动力时程分析;
比例系数λ定义为:
式中,amax为调整后的地震波峰值;a0,max初始地震波峰值;
步骤二、提取节点的最大动力位移与动力加速度的关系曲线1和单杆最大受压轴力与动力加速度的关系曲线2,
假定R(n,t)为网壳结构在地震波a(t)下某一单元在某一时刻的响应,则网壳某单元在一次完整的时程分析过程中的响应量最大值,具体描述如下:
式中,N为网壳结构单元总数,j为所要考察单元编号,1≤j≤N;T为一个完整计算周期,0≤t≤T;
每完成1次完整周期的弹塑性动力时程分析,总可以找到1个点(amax,Rmax(j,t)),重复上述操作就可以找到一系列的点,连接这些点就可以形成1条完整的连续曲线;如果每次找点(amax,umax(j,t)),就可以获取单杆上节点的最大动力位移umax与动力加速度amax的关系曲线1;同理,如果每次找点(amax,Nmax(j,t)),就可以获取单杆的最大受压轴力Nmax与动力加速度amax的关系曲线2;
步骤三、判断网壳单杆是否发生动力屈曲
网壳结构单杆的动力屈曲判断准则,描述为:
条件1:节点最大动力位移随着动力加速度的增大而增大,动力加速度的微小增量导致节点的位移时程曲线明显偏离原振荡平衡位置的现象出现;
条件2:单杆最大受压轴力随着动力加速度的增大而增大,动力加速度微小的增量导致单杆的最大受压轴力突然减小的现象出现;
若单杆上节点的最大动力位移及其最大受压轴力同时满足以上2个条件,则认为该单杆发生动力屈曲;
如果曲线1满足判定准则条件1,在此基础上,继续判断曲线2是否满足判定准则条件2;如果同时满足判定准则条件1和2,则可认为该单杆已动力屈曲;
步骤四、如果判定单杆发生了屈曲,则按照单杆动内力放大系数调整设计内力,重新配置单杆截面尺寸,并对调整后的结构按照步骤一~三重新进行增量动力时程分析,直至单杆满足动力稳定要求为止;
动内力放大系数α定义为:
式中,Nmax意义同步骤二,即单杆动力屈曲前时程分析过程中单杆的最大受压轴力;N0为网壳结构静力设计时对应的单杆轴向压力;
该式(3)适用于静力情况下设计时受压的单杆;若为静力设计时为拉杆的单杆在地震作用下发生动力屈曲,则需要将该拉杆的内力设置为Nmax,进行压杆稳定设计,重新配置单杆截面尺寸,并对调整后的结构按照步骤一~三重新进行增量动力时程分析,直至单杆满足动力稳定要求为止;
步骤五、如果曲线1或2中任一曲线不满足其对应的判定准则条件1或2,则判断单杆满足动力稳定要求,单杆满足抗震设计要求。
2.如权利要求1所述的实现网壳结构地震作用下单杆的动力屈曲判断 的方法,其特征在于,上述方法可应用于室内穹顶结构中。
3.如权利要求1-2中任一权利要求所述的实现网壳结构地震作用下单杆的动力屈曲判断 的方法,其特征在于,上述网壳结构是由三角形网格或四边形网格构成。
4.如权利要求3所述的实现网壳结构地震作用下单杆的动力屈曲判断 的方法,其特征在于,所述三角形网格或四边形网格采用刚性或/和柔性连接。
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