03-1網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

1、主講人：支旭東哈爾濱工業(yè)大學(xué)第三章 網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)03-1專題：網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性1 /32內(nèi)容概要內(nèi)容概要一、概述一、概述二、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)全過程分析方法及實例分析二、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)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(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算的規(guī)定及說明四、規(guī)程關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算的規(guī)定及說明2 /32n網(wǎng)殼失穩(wěn)現(xiàn)象的分類：即整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)網(wǎng)殼失穩(wěn)現(xiàn)象的分類：即整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)n整體失穩(wěn)是幾乎整個結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)偏離平衡位置而發(fā)生很大幾何變位的一整體失穩(wěn)是幾乎整個結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)偏離平衡位置而發(fā)生很大幾何變位的一種失穩(wěn)現(xiàn)象種失穩(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)

2、象，點失穩(wěn)則是另一種局單根桿件失穩(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3 /321.非線性連續(xù)化理論方法(擬殼法) 僅對少數(shù)特定的殼體僅對少數(shù)特定的殼體( (例如球面殼例如球面殼) )才能得出較實用的公式才能得出較實用的公式 無法反映實際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不均勻構(gòu)造和各向異性的特點無法反映實際網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的不均勻構(gòu)造和各向異性的特點 無法考慮不同荷載分布的影響無法考慮不同荷載分布的影響一、概述一、概述n穩(wěn)定性分析是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、尤其是單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題穩(wěn)定

3、性分析是網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)、尤其是單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題* 網(wǎng)殼穩(wěn)定性評估的方法n空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ7-2010JGJ7-2010中中4.3.14.3.1條：單層網(wǎng)殼以及厚條：單層網(wǎng)殼以及厚度小于跨度度小于跨度1/501/50的雙層網(wǎng)殼均應(yīng)進行穩(wěn)定性計算。的雙層網(wǎng)殼均應(yīng)進行穩(wěn)定性計算。4 /322.模型試驗方法 耗費時間，并且成本昂貴耗費時間，并且成本昂貴 無法考慮不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響無法考慮不同結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能隨荷載變化的全貌可以精確地反映結(jié)構(gòu)性能隨荷載變化的全貌 可以分析不同類型、不同網(wǎng)格、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和可以分

4、析不同類型、不同網(wǎng)格、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和 不同荷載分不同荷載分布等多種情況布等多種情況 對工程設(shè)計人員而言比較復(fù)雜，較難掌握對工程設(shè)計人員而言比較復(fù)雜，較難掌握* 網(wǎng)殼穩(wěn)定性評估的方法5 /32二、球面網(wǎng)殼全過程分析實例二、球面網(wǎng)殼全過程分析實例球殼結(jié)構(gòu)簡圖球殼結(jié)構(gòu)簡圖 圖中數(shù)字表示網(wǎng)殼節(jié)點發(fā)生跳躍屈曲的順序圖中數(shù)字表示網(wǎng)殼節(jié)點發(fā)生跳躍屈曲的順序6 /32網(wǎng)殼的全過程曲線（節(jié)點1-6）7 /328 /32 這些全過程曲線形態(tài)變化豐富，曲線上每個臨界點對應(yīng)以某這些全過程曲線形態(tài)變化豐富，曲線上每個臨界點對應(yīng)以某個節(jié)點為主的跳躍屈曲（見節(jié)點個節(jié)點為主的跳躍屈曲（見節(jié)點2 2全過程）全過程）9 /32網(wǎng)

5、殼在加載過程中若干時刻的位移形態(tài) 屈曲范圍從一個屈曲范圍從一個主肋節(jié)點開始向周圍主肋節(jié)點開始向周圍逐漸擴散，最后在網(wǎng)逐漸擴散，最后在網(wǎng)殼上形成一個很大的殼上形成一個很大的凹陷凹陷10 /32網(wǎng)殼具有不同初始缺陷(形狀偏差)時的全過程曲線 (假設(shè)初始形狀偏差與網(wǎng)殼的一階屈曲模態(tài)吻合)1.1.隨著初始缺陷的增加，全隨著初始缺陷的增加，全過程曲線的變化具有明顯規(guī)過程曲線的變化具有明顯規(guī)律性。律性。2.2.球殼對初始幾何缺陷非常球殼對初始幾何缺陷非常敏感，當(dāng)敏感，當(dāng)R=6cm(L/830),R=6cm(L/830),臨界臨界荷載降低到完善殼的荷載降低到完善殼的 55%55%。11 /32* 單層球面網(wǎng)

6、殼穩(wěn)定性分析方案 網(wǎng)格劃分形式：網(wǎng)格劃分形式： 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：L40，50，60，70m 矢跨比矢跨比: : f/L= 1/5,l/6,1/7, l/8. . 截面尺寸：截面尺寸：采用四套不同大小的桿件截面采用四套不同大小的桿件截面 ( ( 按設(shè)計選擇截面按設(shè)計選擇截面 ) ) 初始幾何缺陷：初始幾何缺陷：完善殼、具有初始缺陷完善殼、具有初始缺陷( (最大安裝偏差最大安裝偏差 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.

7、 . ( (g滿跨均布恒荷載滿跨均布恒荷載; ; p半跨均布活荷載半跨均布活荷載) )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12 /32滿跨均布荷載下K8型網(wǎng)殼的全過程曲線點線點線帶缺陷帶缺陷實線實線完善殼完善殼13 /32球面網(wǎng)殼的屈曲模態(tài) 球面網(wǎng)殼的屈曲球面網(wǎng)殼的屈曲多數(shù)情況下表現(xiàn)為殼面多數(shù)情況下表現(xiàn)為殼面上一個或若干個上一個或若干個局部凹局部凹陷陷的形式，這種凹陷從的形式，這種凹陷從某一節(jié)點的跳躍屈曲開某一節(jié)點的跳躍屈曲開始，凹陷的范圍逐漸擴始，凹陷的范圍逐漸擴大。大。 Kiewitt Kiewitt 網(wǎng)殼屈網(wǎng)殼屈曲從曲從主肋節(jié)點主肋節(jié)點開始；肋開始；肋環(huán)斜桿型一般從環(huán)斜桿型一

8、般從第三環(huán)第三環(huán)( (自外圈算起自外圈算起) ) 上某一上某一結(jié)點開始；短程線型網(wǎng)結(jié)點開始；短程線型網(wǎng)殼則從殼則從三角形球面三角形球面上某上某一結(jié)點開始一結(jié)點開始14 /32 不同荷載分布對球面網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響p/g= 0,1/4,1/2三條曲線幾乎三條曲線幾乎完全重合完全重合15 /32初始缺陷大小對球面網(wǎng)殼穩(wěn)定性的影響 ( (r=0,3,6,10,20,30,40,50,60cm) ) 不同初始缺陷時的全過程曲線不同初始缺陷時的全過程曲線Kiewitt 網(wǎng)殼網(wǎng)殼 ( (D=60m) )畸變結(jié)構(gòu)16 /32 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，

9、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。左右。缺陷再進一步增大時，網(wǎng)殼己嚴更偏離原來的球面形狀，受力缺陷再進一步增大時，網(wǎng)殼己嚴更偏離原來的球面形狀，受力也偏離薄膜內(nèi)力主導(dǎo)狀態(tài)，變成了一種也偏離薄膜內(nèi)力主導(dǎo)狀態(tài)，變成了一種“畸形結(jié)構(gòu)畸形結(jié)構(gòu)”。 事實上，當(dāng)初始缺陷超過一定限度后，這種具有過大初始事實上，當(dāng)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，但在工程上已沒有意義。趨勢，但在工程上

10、已沒有意義。L/500L/300的的安裝偏差定為球面安裝偏差定為球面網(wǎng)殼可以接受的網(wǎng)殼可以接受的最大允許缺陷；最大允許缺陷；把理想網(wǎng)殼極限把理想網(wǎng)殼極限荷載的荷載的50定為定為實際網(wǎng)殼的極限實際網(wǎng)殼的極限承載力承載力17 /32l. l. 球面網(wǎng)殼均表現(xiàn)出極佳空間工作性能，因而荷載的不對稱分布對球面網(wǎng)殼均表現(xiàn)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(yīng)用時，荷載按恒荷它們的極限荷載幾乎沒有影響。因而實際應(yīng)用時，荷載按恒荷+ +活荷活荷滿跨均布考慮。滿跨均布考慮。2.2.從實用角度，似乎可以將從實用角度，似乎可以將L/500L/300的安裝偏差定為球面網(wǎng)殼可的

11、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定為實際網(wǎng)定為實際網(wǎng)殼的極限承載力。殼的極限承載力。n空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ7-2010JGJ7-2010中中4.3.44.3.4條：進行網(wǎng)殼全過程分析求條：進行網(wǎng)殼全過程分析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。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。18 /32 采用回歸分析的方法為球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定驗算推導(dǎo)一個適當(dāng)?shù)牟捎没貧w分析的方法為球面網(wǎng)殼的穩(wěn)定驗算推導(dǎo)一個適當(dāng)?shù)臄M合公式，借鑒殼體穩(wěn)定性的線彈性解析公式：擬合

12、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)； B Be e網(wǎng)殼的等效薄膜剛度網(wǎng)殼的等效薄膜剛度(kN/m)(kN/m)； D De e網(wǎng)殼的等效抗彎剛度網(wǎng)殼的等效抗彎剛度(kN(kNm);m); k k 待定擬合系數(shù)待定擬合系數(shù) q qcrcr穩(wěn)定極限穩(wěn)定極限承載力承載力2eecrB Dqkr19 /32 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、線彈性材料計算針對理想網(wǎng)殼、線彈性材料計算結(jié)果結(jié)果) ) k k = 2.34 / 2.18 , K8型網(wǎng)殼型網(wǎng)殼 k k = 2.52 / 2.27 , K6型網(wǎng)殼型

13、網(wǎng)殼 k k = 2.24 / 2.07 ,短程線型網(wǎng)殼短程線型網(wǎng)殼 k 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) K（回歸得到） 平均取值為平均取值為 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 Dqr20 /32 qks穩(wěn)定容許穩(wěn)定容許承載力承載力適用范圍：跨度小于適用范圍：跨度小于50m50m20.25eeksB Dqrn空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)

14、程空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)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 q qksks （荷載取標準值）應(yīng)等于網(wǎng)殼穩(wěn)定（荷載取標準值）應(yīng)等于網(wǎng)殼穩(wěn)定極限承載力極限承載力q qcrcr除以安全系數(shù)除以安全系數(shù)K K。當(dāng)按彈塑性全過程分析。當(dāng)按彈塑性全過程分析時，安全系數(shù)時，安全系數(shù)K K可取為可取為2.02.0；當(dāng)按彈性全過程分析時，安；當(dāng)按彈性全過程分析時，安全系數(shù)全系數(shù)K K可取可取4.24.2。21 /32四、其它關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算問題的說明四、其它關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗算問題的說明1. 1. 單層網(wǎng)殼和厚度較小的雙層網(wǎng)殼均存在總體

15、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)( (包括局部殼面失包括局部殼面失穩(wěn)穩(wěn)) )的可能性；設(shè)計某些單層網(wǎng)殼時，穩(wěn)定性還可能起控制作用，的可能性；設(shè)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(yīng)進行穩(wěn)定性計算。因而對這些網(wǎng)殼應(yīng)進行穩(wěn)定性計算。 對鞍形網(wǎng)殼來說，建議采用結(jié)構(gòu)整體剛度驗算來代替復(fù)雜的穩(wěn)定性驗算。對鞍形網(wǎng)殼來說，建議采用結(jié)構(gòu)整體剛度驗算來代替復(fù)雜的穩(wěn)定性驗算。2. 2. 結(jié)構(gòu)荷載結(jié)構(gòu)荷載- -位移全過程分析可以把結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定乃至剛度等性能位移全過程分析可以把結(jié)構(gòu)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的整個變化歷程表示得十

16、分清楚，因而可以從最精確的意義上來研究結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。研究結(jié)構(gòu)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(dāng)成熟。位移全過程分析方法已相當(dāng)成熟。因而現(xiàn)在完全有可能要求對實際大型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行考慮幾何非線因而現(xiàn)在完全有可能要求對實際大型網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進行考慮幾何非線性的荷載性的荷載- -位移全過程分析，在此基礎(chǔ)上，確定其穩(wěn)定性承載力。位移全過程分析，在此基礎(chǔ)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(fù)得多，目前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(fù)得多，目前還不宜對多數(shù)工程提出這一要求。還不宜對多數(shù)工程提

17、出這一要求。22 /323. 3. 設(shè)網(wǎng)殼受恒載設(shè)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 g+ +q q) )來衡量，分來衡量，分析表明，荷載的不對稱分布析表明，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)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(dāng)其長寬比上殼的穩(wěn)定性承載力無不利影響，對四邊支承的柱面網(wǎng)殼當(dāng)其長寬比上L/B L/B 1.21.2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)殼和兩端支承的圓柱面網(wǎng)殼，這種

18、影響則較大，應(yīng)在計橢圓拋物面網(wǎng)殼和兩端支承的圓柱面網(wǎng)殼，這種影響則較大，應(yīng)在計算中考慮算中考慮( (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，后面兩項是與桿件有關(guān)的缺陷。偏心等，后面兩項是與桿件有關(guān)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(shè)計階段在分析網(wǎng)殼穩(wěn)定性時有一個前提，即網(wǎng)殼所有桿件在強度設(shè)計階段是都已經(jīng)過設(shè)計計算保證了強度和穩(wěn)定性的。這樣，與桿件有關(guān)的缺是都已經(jīng)過設(shè)計計算保證了強度和穩(wěn)定性的。這樣，與桿件有關(guān)的缺陷對網(wǎng)殼總體穩(wěn)定性陷對網(wǎng)殼總體穩(wěn)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( (節(jié)點位置偏節(jié)點位置偏差差) )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(yīng)采用施工中的容許最大安裝偏差；但大量實例表明，當(dāng)至于缺陷的最大值，按理應(yīng)采用施工中的容許最大安裝偏差；但大量實例表明，當(dāng)缺陷達到跨度的缺陷達到跨度的1/3001/3