基于ANSYS某單層球面網殼結構整體穩定性分析

  注：此文核心內容非水哥原創，水哥只做部分語言美化與校核工作，出于私密性要求，本文不提供命令流學習。   

     所謂網殼結構，其實是指由一種桿件組成的曲面網格結構，也可以看成是曲面的網架結構，兼有桿系結構和薄殼結構的固有特性。因而其具有結構形式多樣，跨度大，質量輕，現場安裝簡便等特點，近年來被廣泛用于建筑工程中。以下工程皆為網殼結構。

日本名谷屋體育館

福岡體育館

天津體育館

上海國際會議中心

        雖然網殼結構有如此多的優點，但同時也應該注意到國內外常有網殼結構倒塌事故的發生，而其中結構的整體性失穩已成為一種關鍵性因素。

        本文以某單層球面網殼為例，采用ANSYS軟件對其進行了結構整體穩定性分析，該網殼大概情況如下：跨度40米，矢高8米，勁肋為6，環桿的圈數為5，主要截面為外部直徑為152mm，壁厚為5mm的鋼管。

本次分析主要包括以下內容：

1、等效節點荷載的轉換

2、施加等效節點荷載，網殼的靜力分析

3、網殼屈曲分析

4、考慮幾何非線性(幾何缺陷)的穩定性分析

5、改變矢跨比后結構穩定性分析

6、考慮材料非線性和幾何非線性后結構的穩定性分析。

        結構建模思路主要為通過有規律的節點坐標，建立節點，通過節點建立我們所需單元，單元這里采用beam189以及mass21(考慮節點安裝質量)。結構整體模型如下所示：

第一步：等效節點荷載的轉換

        關于這一部分，其實要用到輔助單元表面效應單元surf154,具體方法在我很久的一篇文章中也有所介紹，方法就是通過表面效應單元Surf154來施加投影荷載均布荷載，通過約束所有節點自由度，計算結構在均布荷載作用下的支座反力，計算后在反向施加于結構，從而實現等效節點荷載的計算。

第二步：施加等效節點荷載，進行靜力分析，注意這里需要打開預應力效應。結構在荷載作用下的變形圖如下，結構最大位移為7.85mm。

第二步：結構屈曲分析

前面六階屈曲模態如下：

第四步：考慮幾何非線性(幾何缺陷)的穩定性分析

          從上述分析可知，結構一階屈曲系數為11.378，結構最大位移0.993m，取一階模態的0.1倍，及最大位移值此時為0.0993m小于0.133m（跨度40m的1/300）作為結構初始缺陷。

        在此荷載系數基礎上放大1.3倍，約為15，將等效節點荷載放大15倍施加在結構上，即為施加1.3倍的屈曲荷載，得到荷載位移曲線。屈曲荷載系數為5.80，大于規程中K=4.2的要求。

        改變初始缺陷值的大小將上節穩定分析中的初始缺陷分別改為一階模態位移值的0.11倍、0.12倍、0.13倍、0.14倍0.15倍，分別為為0.109m、

0.119m、0.129m、0.139m、和0.149m觀察分析結果。

        可見，當初始缺陷最大值小于0.133m時（跨度1/300），荷載系數隨著初始缺陷增大而減小，當接近0.133m時，荷載系數減小趨勢不再明顯。

第五步、改變矢跨比后結構穩定性分析

        原結構矢跨比為1/5，現將其跨度改為32m，矢跨比為1/4，按照上述思路進行同樣的分析，對比圖如下：

 跨度為32m,矢跨比為1/4

        

        可以看出，矢跨比對結構穩定承載極限荷載有較大影響，矢跨比大的結構，荷載系數將越大，網殼結構的整體穩定性越好。同時，隨著初始缺陷值增大，結構整體穩定性能也隨之下降。失跨比與初始缺陷同樣影響著結構的整體穩定性能。

第六、考慮材料非線性和幾何非線性后結構的穩定性分析。

        使用原始模型，失跨比為1/5，最大初始缺陷為0.0993m（0.1倍），不考慮材料非線性時屈曲荷載系數為5.80，同時考慮材料非線性，荷載系數為5.70，結果如下圖?！兑幊獭芬螽敯磸椥匀^程分析時，安全系數K可取為2.0，此模型同樣符合要求。材料特性采用理想彈塑性。

歡迎關注微信公眾號：ANSYSABAQUS