基于刚度的空间网格结构重要构件判断方法

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近年来,法国戴高乐机场顶棚倒塌、德国巴特莱哈尔溜冰馆倒塌等事故的接连发生,突显了大型空间结构连续性倒塌研究的重要性和紧迫性。  本文在总结国内外重要构件判断方法的研究成果基础上,考虑空间网格结构明显的非线性特征,提出了一种基于切线刚度的重要构件判断方法。变形后的切线刚度能够真实地反映结构的应力应变信息和安全性能,考虑应力刚化作用(处理一阶无穷小位移机构)和适应于空间网格结构的几何非线性,可以满足精确计算空间网格结构构件重要性的要求。  构件重要性系数是衡量构件重要性的指标,反映了某构件失效前后结构安全性能的变化程度,整体刚度包含了结构的具体信息,它的奇异程度能够体现结构安全状态,因此基于整体刚度来判断构件重要性是合理的。在结构响应的选取上,刚度矩阵的行列式比结构稳定因子更适合作为结构的响应。本文分别定义了无荷载作用下和荷载作用下的构件重要性系数,通过算例简要地分析了不同支座条件、构件刚度、荷载等级和荷载分布形式对构件重要性的影响及相应的变化规律。分析结果表明释放支座约束,杆件的重要性系数会增大;增大某杆件刚度,则该构件的重要性系数增大;杆件的重要性系数随荷载大小而变化,荷载的方向或分布不仅影响杆件重要性系数的大小和变化趋势,还影响杆件的重要性次序。  当铰接杆件体系的各杆件线刚度均相等,不考虑结构应力刚化作用或应力刚化所贡献的刚度非常小时,整体切线刚度矩阵只与本文定义的类平衡矩阵相关,根据这个性质,本文从一个新的视角来判断构件重要性--基于类平衡矩阵的重要构件判断方法,其实质与原方法是相同的,通过相关的数学推导阐明了简化原理,并使用简单算例进行了验证。  对于网架结构体系,本文通过编制Matlab程序来计算与集成整体切线刚度矩阵;对于单层网壳结构体系,考虑到空间梁单元几何刚度矩阵的复杂性,先通过APDL语言建模与分析,从ANSYS软件中导出以Harwell-boeing格式存储的整体刚度,再利用Matlab相关程序将其还原为真实完整的刚度矩阵。在判断构件重要性之前,可先根据结构的对称性和荷载的具体分布形式,确定构件的判断区域,减少工作量。本文研究了4种不同网架形式和3种网壳形式,得到了一些网架和网壳的重要构件分布规律和构件重要性的变化规律。总体而言,与网架结构相比,网壳结构的构件重要性受荷载的等级和分布形式的影响比较明显;网架结构的构件重要性主要由材料刚度决定,在判断网架结构的构件重要性时,可以近似地采用无荷载作用下的构件重要性系数。  由空间网格结构构件重要性判断的结果可知,虽然荷载因素对网架结构的影响较小,但采用本文的判断方法却能计算出由几何刚度带来的微小变化,可以看出该方法是比较精确的;空间网格结构构件的重要性受众多因素影响,若仅凭经验或概念来筛选重要构件,容易忽略某些比较重要构件,本文的重要构件判断方法恰好弥补了这个缺点,对每一个结构,都应根据具体情况来判断结构的重要构件。
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