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包括板片空间结构在内的大跨空间结构由于跨度大、构件截面薄且以受压为主,其破坏形态往往为失稳破坏,因此在空间结构设计中必须考虑稳定问题以防止发生失稳破坏。在空间结构中,缺陷是影响结构稳定最关键的因素之一,虽然已有不少关于结构缺陷稳定性的研究成果,但是还有许多问题需要解决,其中如何简便和准确的确定缺陷对结构稳定性的影响已成为空间结构设计和研究中亟待解决的课题。
理论和试验研究发现缺陷对空间结构稳定承载力尤其是单层网壳结构影响极大。板片空间结构由于考虑了板片与骨架共同工作,其受力性能得到了改善,而对板片空间结构缺陷敏感性的研究还处于初步阶段,已有的板片空间结构研究中,诸如板片厚度、结构的矢跨比、边界条件、结构的跨度等因素对结构缺陷敏感性的影响还没有被考虑,随机缺陷样本数目的选取也没有完善的理论依据。另外,理论研究表明结构屈曲类型对结构缺陷敏感性有重大影响,但是如何简便的判别结构屈曲类型还需要进一步研究,这些问题的研究对结构稳定承载力的准确计算都起关键作用,有必要深入研究。
本文首先分析归纳结构缺陷敏感性的渐近理论,说明结构屈曲类型对结构缺陷敏感性起着关键作用,有必要研究结构屈曲类型的判别方法。然后应用伽辽金法求解集中荷载作用下球壳的临界荷载公式,再利用李兹法分析集中荷载作用下的球壳的屈曲问题,得到判别结构屈曲类型的一个公式。
分析随机缺陷方法在结构稳定问题研究中的应用,论证了随机缺陷样本数目与计算结果置信水平的关系,并通过数值算例来验证结论的正确性,完善了蒙特卡罗随机有限元法在板片空间结构中的应用的理论依据。
应用蒙特卡罗随机有限元方法分别研究板片厚度、结构的矢跨比、边界条件、结构的跨度等因素对结构缺陷敏感性的影响。进而结合渐近理论,归纳出一个考虑缺陷影响及尺寸变化效应的极限承载力公式。
在以上研究的基础上,针对四个板片空间结构的试验模型,分别采用本文归纳的临界承载力公式和随机缺陷方法对板片空间结构的缺陷敏感性以及临界承载力进行计算和分析。计算结果表明本文所提出的极限承载力公式能够与随机缺陷方法计算结果和试验结果较好地吻合。本文的研究结论可望对进一步研究板片空间结构的缺陷稳定特性有借鉴意义,同时有利于改进板片空间结构的设计和计算方法。