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单层网壳是目前空间结构中使用较多的一种结构形式,随着人们对建筑功能要求的不断提高,网壳跨度越来越大,形式也日趋复杂,其稳定性以及缺陷敏感性问题日益突出。目前针对网壳稳定性的研究主要侧重于传统单层网壳,对于空腹杆件网壳、弦支穹顶结构、大网格单层网壳等新型网壳的研究则有待深化。故本文围绕新型网壳的稳定性问题以及缺陷敏感性问题进行了以下几方面研究:
第一方面,为加深对单层网壳缺陷敏感性的理解,本文以等截面面积的四种网壳(实心杆件网壳、圆管杆件网壳、工字型杆件网壳和空腹杆件网壳)为研究对象,得到单层网壳缺陷敏感性随着其杆件截面抗弯刚度的提高而降低这一规律;此外,又对球面网壳、圆柱面网壳和鞍形网壳进行薄膜力分布和屈曲特征值研究,验证了薄膜压力和屈曲模态的耦合为引起单层网壳缺陷敏感性的原因。
第二方面,研究了荷载变异对网壳极限承载力的影响。网壳规范只规定了反对称荷载对网壳极限承载力的影响,但并未对反对称荷载降低网壳极限承载力的原因进行说明,此外规范也未提及其它荷载作用方式对网壳极限承载力的影响。对此,本文对圆柱面网壳、椭圆抛物面网壳和球面网壳施加反对称荷载,得到网壳极限承载力降低的原因,即网壳的第一阶屈曲模态与反对称荷载作用形式的一致性;此外,本文对单层球面网壳施加不同形式荷载,表明网壳顶部压重对其极限承载力提高有帮助。
第三方面,针对网壳缺陷敏感性的抽象性和复杂性的特点,本文以一个弹性拱为例,对其引入一个拱顶弹性支撑,用Koiter初始后屈曲理论对其进行求解,得到其缺陷敏感性改善的解析解,以加深对结构缺陷敏感性改善的理解。
第四方面,目前对弦支穹顶结构稳定性以及缺陷敏感性的研究局限于具体工程的特定矢跨比,而不同矢跨比弦支穹顶结构的稳定性以及缺陷敏感性有很大不同。本文对矢跨比为1/10、1/15和1/20的弦支穹顶结构进行稳定性对比分析,提出弦支穹顶结构特征值求解的注意事项,并得到此类结构缺陷敏感性随着矢跨比降低而减弱的这一规律。
第五方面,网壳受力性能接近于实体壳,设计人员倾向于选择较密网格,但稀疏网格网壳具有更好的刚度和较低的缺陷敏感性。本文对三种不同网格密度的网壳进行弹塑性有限元对比分析,得出稀疏网格网壳比密集网格网壳极限承载力更高,缺陷敏感性更低这一结论,并提出用规范估算此类结构极限承载力的方法。