凯威特型单层球面网壳的静力及屈曲分析
单层网壳屈曲分析
单层网壳屈曲分析摘要：本文以一跨度60m，矢高12m的凯威特型单层网壳结构为分析对象，考虑几何非线性、初始几何缺陷、材料非线性以及活载的半跨布置，对结构进行屈曲分析。
研究表明：结构几何非线性分析结果与双重非线性屈曲分析结果相差较大；单层网壳结构是对初始缺陷较为敏感；活载半跨分布对球面网壳的稳定性更为不利；关键词：单层网壳；非线性屈曲；活载半跨；初始缺陷引言：单层网壳[1]是一种与平板网架类似的空间杆系结构，系以杆件为基础，按一定规律组成网格，按壳体结构布置的空间构架，它兼具杆系和壳体的性质。
其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力。
此结构是一种国内外颇受关注、有广阔发展前景的空间结构。
1.相关原理——非线性屈曲分析为全面而准确地研究结构屈曲前后的性能，需对结构进行基于大挠度理论的非线性屈曲分析，通过荷载-位移全过程曲线来完整反映结构的稳定性能，其控制方程表达式：（1）式中：为切线刚度矩阵，；为位移增量向量；为等效外荷载向量；为等效节点力向量。
非线性屈曲分析的难点在于全过程路径的跟踪技术。
对式（1）的求解，通常采用N-R法、Full N-R法、弧长法、混合法等[2]。
本文采用改进的弧长法来跟踪结构的屈曲路径全过程[3]。
2.分析模型本文以一K8凯威特型单层球面网壳为研究对象。
该网壳跨度60m，矢高12m，即矢跨比为1/5。
主肋和环杆采用φ152mmX5.5mm钢管，斜杆采用φ146mmX5mm。
结构周边采用固定铰支座。
结构所受荷载为恒载0.5 KN/m2，活载为0.5 KN/m2。
图1为结构平面图以及结构立面图。
在ansys模型中，采用beam188单元模拟结构杆件，弹性模量为2.06E11N/m2，泊松比为0.3，钢材密度为7850Kg/m3。
图1 模型平面图与立面图3.分析结果特征值屈曲分析只能反映结构在线性条件下的稳定性能，因此，有必要进行非线性稳定性分析。
此节采用一致缺陷模态法分析计算结构的稳定性能，按照《空间网格结构技术规程》[4]：初始几何缺陷分布采用结构的最低阶屈曲模态，其缺陷最大计算值按网壳跨度的1/300取值，且稳定承载力系数（仅考虑几何非线性）、（考虑双非线性）。
单层折板网壳结构形式及静力特性分析
单层折板网壳结构形式及静力特性分析摘要：本文研究了一种新型的空间网格结构—单层折板网壳，它综合了折板和网壳的优点，有广泛的工程应用前景。
文中给出了折板网壳的两类结构形式，并对两类结构形式进行了静力受力分析，从位移的角度对两类折板网壳进行对比分析。
研究结果对单层折板网壳的设计有一定得参考作用。
关键词：单层折板网壳；结构形式；受力特性中图分类号：tu 393.3文献标识码：a 文章编号：1 引言空间结构种类繁多，单就其中的网壳结构来说，就有柱面网壳、球面网壳、双曲扁网壳、扭网壳、圆锥面网壳等。
折板网壳结构是近年来发展起来的一种新型空间结构形式，在国内外已有一些工程采用，例如：日本读卖路上海豚馆、日本北海道真驹室内滑冰场、杭州陈经纶体校网球场、滨州国际会展中心等。
单层折板网壳是由平面单元按一定规律组合而成，代替了混凝土或预应力混凝土折板，大大减轻了自重，可以跨越更大的跨度，符合空间结构的发展趋势，同时保留了折板结构的优点，通过单元的组合，较之平板结构，强度和刚度得到提高；由于其组成单元为一定得平面，故在构件的加工制作、结构的施工安装方面具有网架的优点，节点和部件可做到定型化、工厂化生产，结构的受力性能和质量易得保证。
2 单层折板网壳结构形式[2]折板网壳的造型灵活、形式多样，理论上可满足任意平面形状的要求。
根据单元构成特点，可将其分为三大类：一元折板网壳、多元折板网壳及组合折板网壳。
本文主要介绍单层一元折板网壳。
单层一元折板网壳有两种：带脊线和带脊线及谷线的折板网壳。
这两类折板网壳都是由基本的结构单元按一定规律折叠而成，具有明快、轻盈的建筑艺术效果。
第一类折板网壳—带脊线折板网壳，如图1，是将一定形状的三角形平面按棱锥面组合而成，适合于多边形建筑平面，常见的平面形式有正三角形、正四边形、正五边形、正六边形、正八边形等。
该结构形式结构简单、施工方便、造型美观。
图1 第一类折板网壳图 2 第二类折板网壳第二类折板网壳—带脊线及谷线的折板网壳，如图2，将组成带脊线折板网壳的每一平面单元按一定角度折成二块，就可获得带脊线及谷线折板网壳。
单层球面网壳结构的最优设计参数研究
单层球面网壳结构的最优设计参数研究张利伟【摘要】针对单层球面网壳结构工程设计,采用满应力设计方法,选择跨度、矢跨比、网格尺寸和约束条件作为独立变量,分别对每一个变量取一系列的数值进行计算,以最低用钢量为优化目标,得出每一个独立变量的最优设计参数,与规范给出的优化设计参数进行了比较,表明得到的最优设计参数更全面、更详细,可为工程设计提出指导.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2011(037)002【总页数】2页(P31-32)【关键词】优化设计;单层球面网壳;参数;用钢量【作者】张利伟【作者单位】河南大学土木建筑学院,河南,开封,475004【正文语种】中文【中图分类】TU331 概述作为空间结构中最有代表性的结构，单层球面网壳因其结构构造简单，造型丰富，重量轻，受力合理，已经成为大跨度空间结构中一种举足轻重的主要结构形式，在工程结构中得到了广泛的应用。
与此同时，单层球面网壳的优化设计研究已经成为学界和业界研究的热点[1]。
目前对那些设计变量和约束条件较少和简单的小规模结构，其优化设计的研究比较充分，但对像单层网壳这样结构的优化研究却不多。
这主要有三方面的原因:1)在对单层网壳进行有限元分析时，约束条件复杂。
2)如果考虑几何非线性的影响，问题更为复杂。
3)设计变量和约束条件都比较多，优化分析时不易收敛到最优解。
文献[2]在单层网壳的优化过程中，虽然考虑到几何非线性的影响，但约束条件较少;文献[3]的优化模型虽有足够的约束条件，但其中的强度和稳定性约束条件不符合实际情况。
以单层球面网壳的用钢量为目标函数，按照满应力准则设计方法，通过有限元方法进行分析，对单层球面网壳工程设计中的各种参数进行优化。
满应力设计是以结构构件达到满应力准则，使杆件材料得到充分利用的方法[4]。
其设计思路就是对一个一定的结构形式，通过调整杆件的截面尺寸，从而使杆件的受力能力得到充分的发挥。
具体表现如下:对已定型的结构在多种荷载作用下，使结构在总体荷载组合的情况下各杆件最大正应力基本达到材料强度设计值，即满应力状态，此时就认为使满足结构安全可靠条件下重量最轻。
大学体育馆凯威特型网壳结构有限元分析
大学体育馆凯威特型网壳结构有限元分析目录1、引言........................................................................................................................... ..... - 2 -1.1、工程概况............................................................................................................. - 2 -1.2、分析方法及内容................................................................................................. - 2 -2、数值计算方法................................................................................................................ - 2 -2.1、空间杆系有限单元法......................................................................................... - 2 -2.1.1空间杆系有限单元法的基本原则............................................................. - 3 -2.1.2、空间杆系有限单元法的基本过程.......................................................... - 3 -2.2、平面问题有限单元法......................................................................................... - 3 -2.2.1、连续体的离散化...................................................................................... - 4 -2.2.2、单元分析.................................................................................................. - 4 -2.2.3、整体分析.................................................................................................. - 4 -2.3、计算程序简介..................................................................................................... - 4 -3、计算模型及计算参数.................................................................................................... - 5 -3.1、计算模型............................................................................................................. - 5 -3.2、计算单元的选取................................................................................................. - 7 -3.3、计算参数选取..................................................................................................... - 7 -3.3.1、杆件计算参数选取.................................................................................. - 7 -3.3.2、荷载参数的选取...................................................................................... - 7 -3.3.3、荷载组合效应........................................................................................ - 11 -4、大跨空间结构的校核.................................................................................................. - 13 -4.1、各种荷载作用下的效应................................................................................... - 13 -4.2、强度校核........................................................................................................... - 16 -4.３、变形校核......................................................................................................... - 17 -5、焊接空心球的受力分析.............................................................................................. - 17 -6、总结........................................................................................................................... ... - 20 -1、引言大跨度结构近年来得到日益广泛的应用，被用作各种公共建筑的屋盖、雨棚等，其结构形式多为空间桁架杆件体系或空间梁系组成的网架或网壳，结构材料一般为钢材。
单层球面网壳稳定性分析
题目：某K6型单层球面网壳，跨度50m，矢高10m，网格布置如图所示；承受全跨均布恒载，周边铰支，材料弹性模量5φ×。
试计算该结构的稳E=×，杆件截面均为18052.110MPa定承载力。
操作步骤：一、几何模型1、运行MSTCAD2、【建模】>【标准网格】，选择“单层球面网壳”模板（图1）。
单击【下一步】。
图13、选择“单层凯威特型网格”，如图2。
单击【下一步】。
图24、输入跨度50m，矢高10m，环向网格数6，径向网格数6，如图3所示。
单击【完成】。
图35、【文件】>【另存为】，保存为dwg文件，如图4所示。
图46、用AutoCAD打开dwg文件，另存为1.dxf文件（R2000版本），关闭AutoCAD。
7、在工作目录中用记事本建立一个文本文件，后缀为“.in”，内容为“loaddxf 1.dxf”，如图5所示。
图58、运行ADINA，并保存文件（路径名及文件名都不能出现中文），例如保存在D:\ADINAEXAMPLE文件夹中（即第7步的工作目录）。
9、在图6所示工具条上单击“Open”按钮，在打开文件对话框中，文件类型选择“ADINA-INCommand Files (*.in)”，选择第7步建立的文本文件，如图7所示。
单击【打开】。
图6图710、在图8所示工具条上单击“Mesh Plot”按钮，显示几何模型，如图9所示。
图8图9二、物理模型11、指定边界条件在图10所示工具条上单击“XZ View”按钮，将模型切换到XZ视图，如图11所示。
图10图11在图12所示工具条上单击“Apply Fixity”按钮。
图12在图13所示对话框中单击“Define”，定义铰支边界约束条件。
图13在图14所示对话框中单击“Add”。
图14在图15所示对话框中输入约束名称，单击【OK】。
图15在图16所示对话框中输入勾选“X-Translation”、“Y-Translation”、“Z-Translation”，单击【OK】。
高温下凯威特型单层球面网壳结构的承载能力分析
高温下凯威特型单层球面网壳结构的承载能力分析【中文摘要】凯威特型单层球面网壳结构是凯威特为了改善施威特勒型和联方型球面网壳中网格大小不匀称的缺点而创造的一种新型的网壳,它是由经向杆系、纬向杆系和斜向杆系将球面分成大小比较匀称的三角形网格。
又称为平行联方型网壳。
它不但网格大小匀称,而且内力分布均匀,因此常用于大、中跨度的穹顶中,例如体育馆、商场、会展中心等建筑。
这些公共建筑长时间处于职员密集的状态,一旦发生火灾,在职员安全疏散之前坍塌,会造成大量的职员伤亡和重大的经济损失。
在以往的对网壳的研究中主要集中在网壳的稳定性,而对于其高温下承载能力分析还很少。
因此,有必要对高温下凯威特型单层球面网壳结构承载能力进行深进研究,以保证其在火灾发生时,结构具有足够的耐火性。
本文在充分考虑几何非线性和材料非线性的基础上,采用有限元方法对125例高温下凯威特型(K8)单层球面网壳结构承载能力进行非线性的热—结构耦合分析。
首先,采用ANSYS有限元软件用瞬态热分析方法对单个杆件、局部火灾下和整体火灾下的凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行温度场分析。
其次,通过热—结构多物理场耦合,采用ANSYS有限元软件利用全过程曲线方法对80例整体火灾下凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行承载能力分析,得到高温下其耐火极限,比较在不同荷载大小、不同跨度、不同矢跨比对耐火极限的影响。
考虑整体火灾下结构的稳定性。
最后,通过热—结构多物理场耦合,采用ANSYS有限元软件利用全过程曲线方法对55例局部火灾下凯威特型(K8)单层球面网壳结构进行承载能力分析,得到高温下其耐火极限,比较不同火灾场景、不同跨度、不同矢跨比对其耐火极限的影响。
比较局部与整体火灾下对结构承载能力的不同影响。
通过本文的研究可以得到影响高温下凯威特型(K8)单层球面网壳结构承载能力的因素,得出结构无保护层和有保护层条件下其耐火极限,以及在进行抗火设计中对于凯威特型(K8)单层球面网壳结构如何选型为实际工程设计提供了依据;在对结构进行整体局部火灾分析,对工程实际有一定的指导意义。
荷载对凯威特K8型球面网壳结构动力特性影响
荷载对凯威特K8型球面网壳结构动力特性影响摘要：本文建立了凯威特8型单层球面网壳固定铰支座模型和带柱支承结构模型。
在三维地震作用下，考察屋面荷载对40m跨度网壳结构动力特性变化的影响。
得出下部支承结构对网壳结构动力反应产生较大影响的结论，并对结构分析和设计提出一些参考建议。
关键词：单层球面网壳；柱支承；屋面荷载；时程分析；动力特性网壳结构由于造型美观、受力合理等优点在我国得到了广泛的应用，建筑界已给与高度关注[1-2]。
随着结构的发展，新型的网壳结构的支承结构越来越细柔，支承部分会产生较大的变形，在结构抗震、抗风过程中，要同主体协同工作，按照固定铰支座简化与实际相差较大。
近些年的有些研究[8]和设计已经采用了弹性支座模型来分析网壳，实际上支座刚度对网壳的内力、支座的侧推力以及节点的挠度均有影响。
因此对带支承网壳结构整体分析研究是十分必要的。
本文以凯威特K8型单层球面网壳结构为例，对结构上下部的动力作用进行研究。
1分析模型的建立本文采用有限元分析软件建立带柱支承的网壳结构模型。
为了考查带下部柱支承后结构动力特性的变化，建立无柱支承结构模型，即固定铰支座结构模型。
无柱支承结构模型的建立：将网壳结构简化为空间刚接杆系模型。
在模型中结构杆件采用杆单元，选用质量单元进行加载。
模型如图1.1所示。
带支承柱网壳结构模型的建立：上部网壳结构与固定铰支座相同，下部支承结构采用杆单元模拟下部梁和柱。
模型如图1.2所示。
固定铰支座凯维特8型网壳参数：跨度45m、矢跨比1/4，杆件截面Ф127×3.5mm，屋面重量为1.25kN/m2、1.65kN/m2、2.05kN/m2，材料为Q235钢，假定为双线性随动强化弹塑性材料。
带支承柱凯维特8网壳参数：上部网壳与固定铰支座凯维特8型结构相同。
下部支承的柱截面选用Ф500×16mm，柱高6m，环梁截面为I250×360×16×10mm。
联方-凯威特型单层球面网壳结构稳定分析
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凯威特型单层球面网壳的静力及屈曲分析
【摘要】目的:研究静力与屈曲分析对凯威特型单层球面网壳设计的影响。
方法: 结合静力及屈曲分析的基本原理和方法,基于ANSYS对某凯威特型单层球面网壳进行静力和屈曲分析。
结果:得到了所选网壳的静力模态和第一阶弹性屈曲临界荷载,线弹性屈曲分析得到的一阶屈曲荷载是几何非线性屈曲分析的得到的屈曲荷载的上限。
结论:在线弹性范围内仍然具有较大的富裕强度,具有较高的弹性强度贮备。
分析给出了具体结论,为工程结构设计与监测提供了理论依据。
【关键词】球面网壳;ANSYS;静力分析;屈曲分析;线弹性;几何非线性
1 前言
网壳结构设计中要考虑的一个重要问题是结构的稳定性,对于跨度越来越大的网壳结构来说,对其屈曲问题的研究已经成为重要的研究课题。
基于此,本文先介绍了网壳结构的计算方法,进而运用大型有限元软件ANSYS数值模拟的方法对凯威特型单层网壳进行了静力与屈曲分析,得出结论为工程结构设计与监测提供了理论依据。
如何分析单层球面网壳在荷载作用下的非线性屈曲变形情况,保证其设计的安全性是网壳结构设计工作面临的问题。
2 分析原理及方法
采用几何非线性有限元分析,能更加准确地得到结构变形和内力分布情况,因此对网壳结构的设计和分析等工作有着重要的意义。
实际上,几何非线性分析不仅仅用来做大变形分析,还可以把几何非线性分析用于稳定性分析。
非线性屈曲分析是一种逐渐增加载荷的非线性静力分析技术来求解使得结构开始变得不稳定的临界载荷,该方法比线性屈曲分析更加精确,一般在实际的设计和计算中比较常用。
屈曲分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界荷载和结构发生屈曲响应时的的技术。
特征值屈曲载荷是预期的线性屈曲载荷的上限,可以作为非线性屈曲分析的给定载荷,在渐进加载达到此载荷前,非线性求解应该发散,特征矢量屈曲形状可以作为施加初始缺陷或扰动载荷的根据。
3 计算模型及分析过程
3.1 模型工况
某凯威特型单层球面网壳结构位于沈阳地区,属于C类地区,抗震设防烈度7度,底平面的直径为40 m,矢高为5.4 m,圆心角为60度。
(1)模型的静力分析
只需要对模型施加一个单位荷载,进而进行静力求解。
开始阶段的静力分析前5阶模态频率,且图1-2显示了前的静力模态。
图1 第一阶静力模态图2 第二阶静力模态
(2)结构的弹性屈曲分析
弹性屈曲分析的目的在于得到结构的临界屈曲荷载,因此,在进行弹性屈曲分析时,首先要将单元节点上的荷载设定为单位荷载,所以取第一阶模态的比例因子作为模型的屈曲临界载荷。
(3)将结构上的实际荷载与计算出来的结构屈曲荷载进行比较。
对网壳荷载进行计算并按静力等效原则将计算后的荷载移置到单元节点上成为单元节点荷载。
当弹性屈曲分析得到的临界屈曲荷载确定后,应将临界屈曲荷载与单元节点荷载进行比较,以便进行下一步计算分析。
(4)用非线性屈曲分析或者线弹性有限元分析
通过荷载比较以后,如果单元节点荷载超过了屈曲荷载,就应该进行非线性屈曲分析; 如单元节点荷载小于屈曲荷载,就进行线弹性计算分析。
由于弹性屈曲分析所得临界屈曲荷载是实际临界荷载的上限,虽然单元节点荷载小于屈曲荷载,但还有可能出现屈曲现象。
在这种情况下,则还需要进行非线性屈曲分析。
将上面的弹性屈曲所对应的临界荷载与节点荷载对比可以看出,由于其设计荷载都在线弹性屈曲荷载范围内,因此仅需要对该结构进行线弹性的有限元分析便可,然后得到相应的位移值和杆件内力值,并和规范比较,考察能否满足强度或变形等设计要求。
第一阶屈曲模态各位移云图。
通过计算,该网壳分析得到的最大挠度小于规范最大容许位移值即跨度的1/1 000,因此满足规范的最大位移要求,满足正常使用极限状态。
而它的最大应力值也小于材料强度设计值310MPa。
从这个方案可以初步看出,该方案比较保守,在线弹性范围内仍然有较大的富裕强度,具有较高的弹性强度贮备。
4 结论
(1)稳定性问题已经成为网壳结构分析计算的重要部分。
随着跨度越来越大,网壳的变形也越来越大。
因此,对网壳结构的静力与屈曲计算显得十分重要。
(2)特征值法屈曲分析得到的一阶屈曲荷载是几何非线性屈曲分析的得到的屈曲荷载的上限,该方案设计荷载小于特征值法求得的屈曲荷载,所以结构仅需要进行线弹性的有限元分析。
由于并没有考虑初始缺陷,该凯威特型单层球面网壳的选取过于保守。
因此宜改用非线性屈曲分析来求得最大屈曲荷载,进而判断分析类型。
参考文献
[1] 沈世钊,陈昕.网壳结构稳定性[M] .北京:科学出版社,1999.
[2] CHAN SL, CHU I P T.Non-linear static and cyclic analysis of semirigid steel frames [J].Elsevier Science, 2000: 336.
[3] 方立新,陈绍礼,Yau C Y.结构非线性设计与建筑创新[J] .建筑学报, 2005,14(1) :47 - 49.
周永伟,男,(1986--),山东省日照人,东北大学资源与土木工程学院硕士研究生
宋明亮,男,(1986.9-),辽宁省大连人,东北大学资源与土木工程学院硕士研究生。