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柱面网壳结构稳定性研究及可靠度分析

作　者: 王鑫
导　师: 韩庆华
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 柱面网壳结构稳定性极限承载力可靠度
分类号: TU399
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文主要以一种日益被广泛应用的大跨度空间结构体系—柱面网壳结构体系为研究对象,综合研究了几何非线性、材料非线性、初始缺陷和截面形式对结构稳定性的影响。同时,鉴于国内目前有两种规程规定了不同的方法求解空间网壳结构的极限承载力设计值,而目前国内尚未有文献对这两种方法做系统的研究对比,因此,深入地探究这两种规程规定求解方法的同异是十分必要的。本文将从可靠度的角度比较这两种方法,以供技术人员以参考,这也是本文的创新点。在分析柱面网壳结构稳定性时主要用到了有限元理论及结构稳定和失稳的理论,分析过程中需要使用ANSYS软件以辅助,通过等柱面弧长法求解得到结构的荷载—位移曲线,并以此为判断标准得到结构的极限承载力。在分析可靠度时主要用到了JC法和响应面法。本文共使用了两个工程算例以辅助分析研究,分别是新天津西站的屋面单层柱面网壳结构和某工程双层柱面网壳结构。通过分析探究,本文得出了以下结论:(1)对于大跨柱面网壳结构来说,考虑双重非线性时结构的极限承载力远小于仅考虑几何非线性时,可见材料非线性对结构极限承载力的影响是非常可观的,因此在分析时宜考虑双非线性对结构承载力的影响。(2)初始缺陷虽然对柱面网壳结构也有一定的影响,但是考虑初始缺陷后结构的极限承载力降低不大,因此柱面网壳结构应属于缺陷非敏感性结构。(3)柱面网壳结构的极限承载力与截面形式有很大关系,一般来说,在同等条件下,采用闭口截面时,结构的稳定性要好于采用开口截面的情况。(4)通过可靠度分析可以发现,对于柱面网壳结构来说,使用基于柯以特理论的上海市《空间格构结构设计规程》(DG/TJ08-52-2004)所规定方法求得的结构极限承载力设计值的可靠度要明显高于基于全过程分析方法,按照国家《网壳结构技术规程》(JGJ61-2003)规定所求得的结构极限承载力设计值。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 研究背景  9-12
    1.1.1 大跨度网壳结构的研究现状  9-10
    1.1.2 柱面网壳结构概述  10-11
    1.1.3 柱面网壳结构的分析计算特点和研究意义  11-12
  1.2 当前柱面网壳研究所存在的主要问题  12
  1.3 本文所研究的主要内容和基本方法  12-14
第二章单层柱面网壳稳定性分析方法  14-22
  2.1 单层柱面网壳结构的稳定性分析特点  14-17
    2.1.1 单层柱面网壳结构失稳的本质和类型  15
    2.1.2 影响单层柱面网壳稳定性的主要因素  15-16
    2.1.3 柱面网壳结构稳定分析的内容和步骤  16-17
  2.2 几何非线性有限元法  17
  2.3 等截面梁单元的切向刚度矩阵  17-18
  2.4 结构的稳定和失稳  18-20
  2.5 初始缺陷对网壳结构稳定性的影响  20-22
    2.5.1 随机缺陷模态法  20-21
    2.5.2 一致缺陷模态法  21-22
第三章单层柱面网壳的稳定性分析算例  22-36
  3.1 全过程分析方法在ANSYS 中的实现  22-23
    3.1.1 控制步长的必要性  22-23
    3.1.2 ANSYS 非线性求解的基本过程  23
  3.2 稳定性算例分析新天津西站  23-26
    3.2.1 工程概况  23-26
    3.2.2 在ANSYS 中有限元几何模型的建立  26
  3.3 结构的静力求解  26-28
    3.3.1 屋面荷载作用  26-27
    3.3.2 静力求解  27-28
  3.4 非线性屈曲分析  28-29
  3.5 仅考虑几何非线性和考虑双非线性情况的比较  29-30
  3.6 初始缺陷对结构的影响  30-32
  3.7 截面形式对结构稳定性的影响  32-36
第四章基于两种不同理论结构承载力的可靠度分析方法  36-46
  4.1 引言  36
  4.2 两种计算结构极限承载力的方法  36-39
    4.2.1 《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003）规定的方法  36-38
    4.2.2 上海《空间格构结构设计规程》(DG/TJ08-52-2004)规定的方法  38-39
  4.3 结构可靠性分析  39-41
    4.3.1 结构可靠性的概念  39
    4.3.2 结构可靠性分析的基本内容  39
    4.3.3 工程结构的极限状态  39-40
    4.3.4 结构的可靠度与可靠指标  40-41
  4.4 结构分析中不确定因素的来源  41-42
  4.5 结构可靠度计算方法  42-46
    4.5.1 一次二阶矩法  42-44
    4.5.2 蒙特卡洛法  44
    4.5.3 响应面法  44-46
第五章基于两种不同理论结构承载力的可靠度算例分析  46-61
  5.1 可靠度分析在ANSYS 中的实现  46-47
  5.2 两种算法得出的结构极限承载力  47-48
    5.2.1 全过程分析方法所得到的结构极限承载力  47
    5.2.2 由柯以特（Koiter）理论所得到的极限承载力  47-48
  5.3 单层柱面网壳可靠指标的确定  48-49
    5.3.1 荷载的统计参数  48
    5.3.2 单层柱面网壳极限承载力的统计参数  48-49
  5.4 采用JC 法求解两种算法的可靠度和可靠指标  49-53
  5.5 某工程双层柱面网壳的算例分析  53-61
第六章结论与展望  61-64
  6.1 全文总结  61-63
  6.2 展望  63-64
参考文献  64-67
发表论文和科研情况说明  67-68
致谢  68

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