论文摘要
网壳结构是一种颇具魅力的空间网格结构，因其造型美观、受力合理、能覆盖较大空间，被广泛地应用于大型体育场馆、车站、展览馆以及其它重要公共建筑中，是大跨度空间结构的主要形式之一。网壳结构的承载能力常由结构的稳定性所控制，其失稳时具有和脆性断裂相似的特性，这种破坏常会造成大量的人员伤亡和巨大的经济损失。另一方面，我国属于地震多发带，研究网壳结构在地震作用下的动力响应行为，是其在地震地区广泛应用的前提和基础。所以，对这类结构的稳定性能特别是在地震荷载下的非线性动力稳定性能开展研究是工程实践中亟待解决的问题，具有十分重要的意义。本文以具有实际工程意义的40m跨度，矢跨比为1／3的K8型单层球面网壳同时考虑圈梁和下部柱及柱间支撑的结构为研究对象，利用ANSYS有限元程序，在考虑几何非线性和材料非线性效应的条件下，研究了该结构在强烈地震荷载作用下的动力响应、失稳模态及破坏机理。为了考虑下部支承结构及杆件弯曲变形对网壳结构动力稳定性的影响，本文首先比较分析了考虑与不考虑下部支承结构，以及考虑与不考虑杆件弯曲变形时，网壳结构在三向地震作用下的动力稳定临界荷载及失稳模态。然后，本文重点对该结构在El centro波三向输入时的动力失稳过程及特征响应指标进行了系统的分析研究。研究过程中，首先记录了该结构的特征响应(例如，最大节点位移、进入塑性杆件比例、最大单元相对应变、特征单元轴力、弯矩和动能、结构总动能等)，然后绘制了结构特征响应随荷载幅值变化的全过程曲线。在此基础上，分析了结构随动力荷载幅值逐渐增大结构动力特性不断变化乃至破坏的全过程。最后，对影响该结构在地震作用下的动力稳定性能的六个主要因素进行了的参数分析。包括地震波的选取、矢跨比、杆件截面、阻尼和初始几何缺陷。计算结果表明：1)不同的地震波作用下，结构的动力稳定临界加速度峰值相差很大。2)矢跨比对网壳地震响应的影响十分显著，随着矢跨比的增加，动力稳定临界荷载逐渐降低。而且，随着矢跨比的增加，结构由失稳破坏逐渐转变为强度破环。3)随着杆件截面的增大，结构的刚度逐渐增加，网壳结构的动力稳定性临界荷载显著提高。4)结构阻尼的存在，使网壳结构的运动稳定临界荷载显著提高。因此，结构阻尼的存在对单层网壳的动力稳定承载力分析起到有利影响。5)考虑初始安装缺陷，在地震作用下，一般对结构的运动稳定性能产生不利影响。