利用ANSYS分析单层球面网壳结构稳定性

所谓网壳结构，其实是指由一种杆件组成的曲面网格结构，也可以看成是曲面的网架结构，兼有杆系结构和薄壳结构的固有特性。因而其具有结构形式多样，跨度大，质量轻，现场安装简便等特点，近年来被广泛用于建筑工程中。以下工程皆为网壳结构。

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       虽然网壳结构有如此多的优点，但同时也应该注意到国内外常有网壳结构倒塌事故的发生，而其中结构的整体性失稳已成为一种关键性因素。

       本文以某单层球面网壳为例，采用ANSYS软件对其进行了结构整体稳定性分析，该网壳大概情况如下：跨度40米，矢高8米，劲肋为6，环杆的圈数为5，主要截面为外部直径为152mm，壁厚为5mm的钢管。

本次分析主要包括以下内容：

1、等效节点荷载的转换

2、施加等效节点荷载，网壳的静力分析

3、网壳屈曲分析

4、考虑几何非线性(几何缺陷)的稳定性分析

5、改变矢跨比后结构稳定性分析

6、考虑材料非线性和几何非线性后结构的稳定性分析。

       结构建模思路主要为通过有规律的节点坐标，建立节点，通过节点建立我们所需单元，单元这里采用beam189以及mass21(考虑节点安装质量)。结构整体模型如下所示：

第一步：等效节点荷载的转换

       关于这一部分，其实要用到辅助单元表面效应单元surf154,具体方法在我很久的一篇文章中也有所介绍，方法就是通过表面效应单元Surf154来施加投影荷载均布荷载，通过约束所有节点自由度，计算结构在均布荷载作用下的支座反力，计算后在反向施加于结构，从而实现等效节点荷载的计算。

第二步：施加等效节点荷载，进行静力分析，注意这里需要打开预应力效应。结构在荷载作用下的变形图如下，结构最大位移为7.85mm。

第二步：结构屈曲分析

前面六阶屈曲模态如下：

第四步：考虑几何非线性(几何缺陷)的稳定性分析

         从上述分析可知，结构一阶屈曲系数为11.378，结构最大位移0.993m，取一阶模态的0.1倍，及最大位移值此时为0.0993m小于0.133m（跨度40m的1/300）作为结构初始缺陷。

       在此荷载系数基础上放大1.3倍，约为15，将等效节点荷载放大15倍施加在结构上，即为施加1.3倍的屈曲荷载，得到荷载位移曲线。屈曲荷载系数为5.80，大于规程中K=4.2的要求。

       改变初始缺陷值的大小将上节稳定分析中的初始缺陷分别改为一阶模态位移值的0.11倍、0.12倍、0.13倍、0.14倍0.15倍，分别为为0.109m、

0.119m、0.129m、0.139m、和0.149m观察分析结果。

可见，当初始缺陷最大值小于0.133m时（跨度1/300），荷载系数随着初始缺陷增大而减小，当接近0.133m时，荷载系数减小趋势不再明显。

第五步、改变矢跨比后结构稳定性分析

原结构矢跨比为1/5，现将其跨度改为32m，矢跨比为1/4，按照上述思路进行同样的分析，对比图如下：跨度为32m,矢跨比为1/4

可以看出，矢跨比对结构稳定承载极限荷载有较大影响，矢跨比大的结构，荷载系数将越大，网壳结构的整体稳定性越好。同时，随着初始缺陷值增大，结构整体稳定性能也随之下降。失跨比与初始缺陷同样影响着结构的整体稳定性能。

第六、考虑材料非线性和几何非线性后结构的稳定性分析。

使用原始模型，失跨比为1/5，最大初始缺陷为0.0993m（0.1倍），不考虑材料非线性时屈曲荷载系数为5.80，同时考虑材料非线性，荷载系数为5.70，结果如下图。《规程》要求当按弹性全过程分析时，安全系数K可取为2.0，此模型同样符合要求。材料特性采用理想弹塑性。

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