凯威特型弦支穹顶静力弹塑性稳定性分析及塑性开展机理研究

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弦支穹顶结构由日本法政大学的川口卫教授(M.Kawaguchi)于上世纪九十年代首先提出。该结构由上部网壳和下部索撑体系构成,结合了网壳结构和索穹顶、张拉整体结构的优点,又弥补了它们的不足,是将空间结构推向超大跨度的有效途径之一,具有广阔的发展前景。  本文介绍了弦支穹顶结构的研究背景、组成和分类;相比索穹顶、网壳结构的优势和特点;总结目前的研究现状及工程应用情况。详细介绍本文数值分析中所用的非线性有限单元法、非线性方程的求解方法以及稳定分析中所使用的荷载-位移全过程分析方法和全过程平衡路径跟踪技术。  利用通用有限元软件 ANSYS对弦支穹顶结构进行建模,并验证本文建模方法的正确性。对凯威特型弦支穹顶结构进行特征值屈曲分析,通过大量的参数分析,总结矢跨比,预应力水平,撑杆高度对其线性稳定性能的影响。  利用考虑双重非线性的荷载-位移全过程分析方法,系统分析凯威特型弦支穹顶结构的弹塑性稳定性性能。使用完全Newton-Raphson迭代法和弧长法相结合的策略对结构进行全过程平衡路径的跟踪,得到荷载-位移全过程曲线。从非线性失稳模态、弹塑性极限承载力的宏观角度分析其弹塑性稳定性能,并与其对应的单层网壳进行弹塑性稳定性的对比分析。重点考虑了矢跨比、撑杆高度、预应力水平、活荷载不对称布置、初始缺陷等参数对其弹塑性稳定性能的影响。  从凯威特型弦支穹顶结构的塑性开展广度和深度的宏、微观指标考察其弹塑性稳定性性能,总结了其在静力荷载作用下的塑性开展机理,并与其对应的单层网壳进行对比分析,总结塑性开展机理的不同和优势。分析了参数变化对其塑性开展的影响规律。  评估了材料非线性对凯威特型弦支穹顶结构极限承载力的影响。通过对本文260例计算模型的统计分析,提出了本文建议的矢跨比在1/8至1/4范围内凯威特型弦支穹顶结构的塑性折减系数代表值Cp=0.471,用以评估材料非线性对结构承载力的影响,进而建议对于凯威特型弦支穹顶进行弹性全过程分析时,安全系数K可取4.18。为此类结构的工程设计及安全适用提供了依据。
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