结构的稳定分析
4页1、结构的稳定分析()华中科技大学 土木工程与力学学院, 湖北 武汉 430074失稳破坏是一种突然破坏,人们没有办法发觉及采取补救措施,所以其导致 的结果往往比较严重。正因为此,在实际工程中不允许结构发生失稳破坏。导致结构失稳破坏的原因是薄膜应力,也就是轴向力或面内力。所以在壳体 结构、细长柱等结构体系中具有发生失稳破坏的因素和可能性。这也就是为什么 在网壳结构的设计过程中稳定性分析如此被重视的原因。下面根据本人多年来的研究及工程计算经验,谈谈个人对整体稳定性分析的 一点看法,也算做一个小结。1稳定性分析的层次在对某个结构进行稳定性分析,实际上应该包括两个层次。(一)是单根构 件的稳定性分析。比如一根柱子、网壳结构的一根杆件、一个格构柱(桅杆)等。 单根构件的稳定通常可以根据规范提供的公式进行设计。不过对于由多根构件组 成的格构柱等子结构,还是需要做试验及有限元分析。(二)是整个结构的稳定 分析。比如整个网壳结构、混凝土壳结构等结构整体的稳定性分析。整体稳定性 分析目前只能根据有限元计算来实现。2整体稳定性分析的内容通常,稳定性分析包括两个部分:Buckling分析和非线性“荷载-位移”
2、全过程 跟踪分析。(1) Buckling 分析Buckling分析是一种理论解,是从纯理论的角度衡量一个理想结构的稳定承 载力及对应的失稳模态。目前几乎所有的有限元软件都可以实现这个功能。 Buckling分析不需要复杂的计算过程,所以比较省时省力,可以在理论上对结构 的稳定承载力进行初期的预测。但是由于Buckling分析得到的是非保守结果, 偏于不安全,所以一般不能直接应用于实际工程。但是Buckli ng又是整体稳定性分析中不可缺少的一步,因为一方面Buckli ng 可以初步预测结构的稳定承载力,为后期非线性稳定分析施加的荷载提供依据; 另一方面Buckling分析可以得到结构的屈曲模态,为后期非线性稳定分析提供 结构初始几何缺陷分布。另外本人认为通过Buckling分析还可以进一步校核单根构件截面设计的合 理性。通过Buckling分析得到的屈曲模态,我们可以看出结构可能发生的失稳 破坏是整体屈曲还是局部屈曲。如果是局部屈曲,那么为什么会发生局部屈曲? 局部屈曲的荷载因子是否可以接受?是否是由于局部杆件截面设计不合理所导 致?这些问题希望能引起大家的注意。(2) 非线性稳定
3、分析前文已经讲过,Buckling分析是一种理论解。但是由于加工误差、安装误差、 温度应力、焊接应力等因素的存在,现实中的结构多少都会存在一些初始缺陷, 其稳定承载力与理论解肯定存在一定的差别。另外,由于Buckling分析是线性 的,所以它不可以考虑构件的材料非线性,所以如果在发生屈曲之前部分构件进 入塑性状态,那么Buckling也是无法模拟的。所以必须利用非线性有限元理论 对结构进行考虑初始几何缺陷、材料弹塑性等实际因素的稳定性分析。目前应用较多的是利用弧长法对结构进行“荷载-位移”全过程跟踪技术,来达 到计算结构整体稳定承载力的目的。由于弧长法属于一种非线性求解方法,而且在非线性稳定分析中通常需要考 虑几何非线性、材料非线性及弹塑性,所以通常需要求助于通用有限元软件。比 女口 ANSYS、ABAQUS、NASTRAN、ADINA 等。而设计软件,比女口 PKPM、 SAP2000、MIDAS等通常不具备这种功能,或者具备功能而比较难得到满意的 结果。在这些通用有限元软件中,可以较好的计算结构的屈曲前、屈曲后性能。通 常通过“荷载-位移”曲线来判断计算结果的合理性及结构的极限稳定
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