专利名称：单层网壳结构在地震作用下的动力破坏成因判断方法
技术领域：
本发明涉及一种空间网格结构，尤其涉及单层网壳结构在地震作用下的动力破坏 成因判断方法。
背景技术：
单层网壳结构是由大量杆件按照一定几何规律构成的空间结构，动力荷载作用下 网壳结构反复经历加载_卸载过程，导致杆件可能反复经历失稳_拉直、塑性铰形成_消 失过程，杆件力学性能处于动态变化中，造成结构的承载力亦处于动态变化中，因此要得到 单层网壳结构准确的实时动力响应必须建立能够模拟杆件实时力学性能的杆件计算模型。 目前许多学者采用通用有限元程序建立结构模型，对单层网壳结构的动力响应特点进行研 究。文献1(范峰，钱宏亮，邢佶慧等.强震作用下球面网壳动力强度破坏研究[J].哈尔滨 工业大学学报，2004，36 (6) :722-725.)研究单层球面网壳结构的动力强度破坏，文献2(沈 世钊，支旭东.球面网壳结构在强震下的失效机理[J]. 土木工程学报，2005，38(1) 11-20) 提出单层球面网壳结构的两种动力失效模式，文献3 (王晓可，范峰，支旭东等.单层柱面网 壳在强震下的破坏机理研究[J]. 土木工程学报，2006，39 (11) 26-32)研究单层柱面网壳 结构的破坏机理，文献4 (支旭东，吴金妹，范峰等.考虑材料损伤累积单层柱面网壳在强震 下的失效研究[J].计算力学学报，2008，25 (6) 770-775)通过参数化计算研究材料损伤对 单层柱面网壳结构动力破坏的影响。对单层网壳结构动力响应全过程进行精细化模拟时， 采用通用有限元软件中的梁单元来模拟杆件时存在两个问题(1)单元刚度矩阵的准确性 问题。通用有限元软件采用Gauss积分点处的材料本构关系计算单元刚度矩阵，杆件若处 于弹性状态，可得到准确的杆件单元刚度矩阵。单层网壳结构杆件一般端部截面首先进入 塑性，通用有限元软件单元的Gauss积分点均不在单元端部，此时计算得到的仍是弹性单 元刚度矩阵，直至按弹性刚度矩阵计算出Gauss积分点处产生塑性变形时方利用积分点处 的塑性本构关系计算单元刚度矩阵。杆件塑性区不同点由于加载历史不同其材料塑性本构 关系不同，而杆件很长部分仍处于弹性，仍采用Gauss积分点处的塑性本构关系计算单元 刚度矩阵亦不合理。(2)杆件失稳现象的模拟问题。若一根杆件采用一个梁单元模拟，则无 法模拟杆件失稳现象，杆件承载力的降低完全由材料屈服造成，杆件可承受远超过失稳临 界荷载的作用力，导致可以计算出非常大的塑性应变，得到的结构承载力远大于实际情况。 若采用多个梁单元模拟一根杆件则无法准确模拟杆件失稳后的力学性能，也不能模拟可能 出现在杆端与杆件中部截面的塑性铰，一根杆件划分多少个梁单元方能较准确地模拟杆件 失稳现象亦难以确定。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种能够模拟地震作用下杆件可能 反复经历的失稳_拉直与塑性铰形成_消失过程，准确确定杆件与结构承载力动态变化过 程的单层网壳结构在地震作用下的动力破坏成因判断方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是单层网壳结构在地震作用下的动力破坏成因判断方法，它包括以下步骤(1)完成增量步平衡迭代；求解过程如下步骤101 采用Newmark时间积分法求解结构非线性动力平衡方程组，每次迭代得 到杆端的位移增量Au ；步骤102 设杆件两端编号为I、J，I端平衡方程为
权利要求
1.单层网壳结构在地震作用下的动力破坏成因判断方法，其特征在于它包括以下步骤(1)完成增量步平衡迭代； 求解过程如下步骤101 采用Newmark时间积分法求解结构非线性动力平衡方程组，每次迭代得到杆 端的位移增量Au;步骤102 设杆件两端编号为I、J，I端平衡方程为2 6 、 ^iJ ViJJ t^jJ,J=I j=\式中，Fil为I端截面力分量；夂“为单元弹性刚度矩阵中的分块矩阵，计算杆件弹性刚 度矩阵时杆件的横向位移采用4次多项式插值函数表示，转动位移为横向位移插值函数对 长度坐标的导函数，轴向位移采用2次多项式插值函数表示，扭转位移采用线性插值函数 表示；为由步骤101中的位移增量累加得到的J端节点位移分量，为前一个迭代结束 时J端节点的塑性位移分量；步骤103 计算I端的屈服面函数O1为Φ=f ^-^f + f Mx1^mx1)2 + f Myl~aMy^ + (MzI-gMzl)2 “Myuν NxiL xl ^MxI V M,u JMjL^aMziKu y一 1式中，Nxu为杆件仅受轴力作用时任意截面全截面屈服时的轴力值;Mxu为杆件仅受扭矩 作用时任意截面全截面屈服时的扭矩值；Myu为杆件仅受绕y轴的弯矩作用时任意截面全截 面屈服时的弯矩值；Mzu为杆件仅受绕ζ轴的弯矩作用时任意截面全截面屈服时的弯矩值； Nxl为轴力；MyI、Mzl分别为I端截面绕2个主轴的弯矩；Mxl为I端截面的扭矩；α ΝχΙ、α Μ、 aMyI、αΜζΙ为背应力分量，O1S O表示I端全截面屈服，形成塑性铰；步骤104 计算当前迭代步的杆端塑性位移增量Auf=AA1^L1 SS1式中，Δ X1为比例系数^ = F1-Ci Ci1为I端截面背应力向量；F1为I端杆端力向量；步骤105 检查结构非线性动力平衡方程组迭代是否收敛，如果收敛，则本时间增量步 计算完成；如果迭代不收敛，则将时间增量步减小一半重复进行步骤101-105 ；(2)将每一个时间增量步结束时由步骤102得到的杆件杆端力代入ISO圆钢管的失稳 判别方程，以判断结构杆件是否发生失稳；(3)如果判断结构杆件没有发生失稳，则继续按照步骤1的方法模拟该杆件计算杆件 的两端受力，如果判断结构杆件发生了失稳，则按照Marshall模型模拟该杆件；(4)对杆件失稳类型进行判断若满足圆钢管的失稳判别方程时杆端屈服面方程 Φ ^ 0，则杆件为第一种失稳类型，所述的第一种失稳类型为杆端截面产生塑性区或形成 塑性铰后杆件长细比变大导致杆件失稳；若满足圆钢管的失稳判别方程时杆端屈服面方程 Φ < 0，则杆件为第二种失稳类型，所述的第二种失稳类型为杆端截面尚未产生塑性区或 形成塑性铰，杆件因承受较大轴力作用达到失稳临界条件而发生失稳；(5)当步骤(1)中的结构非线性动力平衡方程组经过15次迭代仍不收敛时，则判定结 构的动态承载力与地震作用不能维持平衡而发生动力破坏，对单层网壳结构在地震作用下 的动力破坏成因进行判断若破坏时结构中失稳杆件的类型为第一种，则单层网壳结构的 动力破坏由杆端塑性铰集中出现导致结构局部变为机构引起；若破坏时结构中失稳杆件的 类型为第二种，则单层网壳结构的动力破坏由杆件失稳导致的结构承载力下降引起；若破 坏时两种失稳类型的杆件在结构中都存在，则单层网壳结构的动力破坏由失稳杆件引起结 构承载力降低与杆端塑性铰使结构局部形成机构共同引起。
全文摘要
本发明公开单层网壳结构在地震作用下的动力破坏成因判断方法，它包括以下步骤(1)完成增量步平衡迭代；(2)将每一个时间增量步结束时得到的杆件杆端力代入ISO圆钢管的失稳判别方程，以判断结构杆件是否发生失稳；(3)如果判断结构杆件没有发生失稳，继续按照步骤1的方法模拟该杆件计算杆件的两端受力，如果判断结构杆件发生了失稳，按照Marshall模型模拟该杆件；(4)对杆件失稳类型进行判断；(5)当步骤(1)中的结构非线性动力平衡方程组经过15次迭代仍不收敛时，可认为结构的动态承载力与地震作用不能维持平衡而发生动力破坏。采用本方法能够模拟地震作用下杆件可能反复经历的失稳-拉直与塑性铰形成-消失过程。
文档编号E04B1/32GK102127932SQ20111002242
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月19日 优先权日2011年1月19日
发明者丁阳, 李忠献, 齐麟 申请人:天津大学