单层网壳结构在地震作用下的动力破坏成因判断方法

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。

主权项

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Δu；步骤102：设杆件两端编号为I、J，I端平衡方程为$F_{\mathrm{iI}}=\underset{J=1}{\overset{2}{\Sigma }}\underset{j=1}{\overset{6}{\Sigma }}{K}_{\mathrm{iI\; jJ}}^e(u_{\mathrm{jJ}}-u_{\mathrm{jJ}}^p)$式中，F_iI为I端截面力分量；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；u_jJ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Φ_I为${\Phi }_I={\left(\frac{N_{\mathrm{xI}}-{\alpha }_{\mathrm{NxI}}}{N_{\mathrm{xu}}}\right)}^2+{\left(\frac{M_{\mathrm{xI}}-{\alpha }_{\mathrm{MxI}}}{M_{\mathrm{xu}}}\right)}^2+{\left(\frac{M_{\mathrm{yI}}-{\alpha }_{\mathrm{MyI}}}{M_{\mathrm{yu}}}\right)}^2+{\left(\frac{M_{\mathrm{zI}}-{\alpha }_{\mathrm{MzI}}}{M_{\mathrm{zu}}}\right)}^2-1$式中，N_xu为杆件仅受轴力作用时任意截面全截面屈服时的轴力值；M_xu为杆件仅受扭矩作用时任意截面全截面屈服时的扭矩值；M_yu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；M_zu为杆件仅受绕z轴的弯矩作用时任意截面全截面屈服时的弯矩值；N_xI为轴力；M_yI、M_zI分别为I端截面绕2个主轴的弯矩；M_xI为I端截面的扭矩；α_NxI、α_MxI、α_MyI、α_MzI为背应力分量，Φ_I≥0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$\Delta u_I^p=\Delta {\lambda }_I\frac{{\partial \Phi }_I}{\partial S_I}$式中，Δλ_I为比例系数；S_I＝F_I-α_I，α_I为I端截面背应力向量；F_I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。