网壳结构的失效模式内蕴相关性及体系可靠度研究

Reticulated domes are characterized by complexity and multiple failure modes. Strength failure, instability failure, or their combination of reticulated domes may be induced by ultimate static or dynamic loads. Main attention is paid on failure modes, system reliability and sensitivity of reticulated shell. Firstly, several approaches are utilized to evaluate component reliability. Branch-and-bound method is carried out to identify the main failure modes considering inherent correlation among failure modes, then PNET is utilized to evaluate system reliability of reticulated shell.Senondly, put forward a new damaged index of lattice shell considering inherent correlation among response quantities and failure modes. Finally, PDEM is carried out to evaluate dynamic reliability of lattie shell. Furthermore, put forward a new approach to sesimic reliability, so-called “pseudo-static” method, which combines numerical results calculated by random vibration of latticed shells and static reliability. Research results can lay foudation for optimization, design of shell, and can put forward to a new index for quantifying damage, and provide a new approach to evaluate seismic reliability of reticulated shell.

网壳具有构造复杂、失效模式多等特点，在临界静动力荷载作用下可能发生强度破坏或失稳破坏，抑或是二者的组合。以网壳结构的失效机理、体系可靠度与敏感性作为研究重点。首先，应用几种先进的非线性有限元可靠度计算方法评估网壳结构的构件可靠度；采用分支约界法确定网壳的主要失效模式，考虑多失效模式的内蕴相关性，利用PNET法评估网壳的体系可靠度；其次，根据各响应量之间、各失效模式之间的内蕴相关性，构造量化网壳破坏程度的新指标；最后，将概率密度演化法推广至网壳的动力可靠度计算，并提出一种计算网壳结构抗震可靠度的新方法，即将结构随机振动的分析结果与静力可靠度分析相结合，采用“拟静力”的方法进行抗震可靠度研究。本研究可为网壳的优化、设计等奠定基础，为量化网壳损伤程度提供新指标，为网壳抗震可靠度计算提供新思路。

网壳具有构造复杂、失效模式多、对初始缺陷敏感等特点，在临界静动力荷载作用下可能发生强度破坏或失稳破坏，抑或是二者的组合。深入探讨了网壳结构的失效机理、可靠度与敏感性，并研究了杆件初弯曲、杆件对节点偏差对网壳稳定承载力的影响。应用几种先进的非线性有限元可靠度计算方法评估了网壳结构的构件可靠度及体系可靠度；采用多种功能函数考虑了网壳的失效模式，确定了各失效模式之间的相关系数的大小；根据各响应量之间、各失效模式之间的内蕴相关性，确定了评价网壳破坏程度的评价方法；将PDEM方法推广至网壳的动力可靠度计算当中；确定了初始缺陷对网壳稳定承载力的影响程度。主要得出如下结论：四种可靠度算法中，SQP法和Polak-He算法效果更好，对功能函数的调用次数最少，因此计算工作量少，效率较高；Bouc-Wen材料模型可以解决数值计算不收敛的问题；杆件初弯曲对网壳的极限承载力有显著影响。将弯曲幅值δ=l/1000视为服从极值I 型分布的随机变量、θ视为服从均匀分布的随机变量时，极限荷载平均下降了16.295%；且临界荷载服从正态分布；杆件初弯曲与节点偏差对网壳的极限承载力影响显著。随机节点偏差越大，网壳结构的极限承载力越小，最大节点安装误差为±2cm时，极限荷载平均下降了17.834%；最大节点安装误差为±4cm时，极限荷载平均下降了21.898%；最大节点安装误差为±6cm时，极限荷载平均下降了27.187%；仅考虑节点安装偏差缺陷时，随机节点偏差对网壳的极限承载力影响十分显著。随机节点偏差越大，网壳结构的极限承载力越小，极限承载力的离散性越大；当节点安装偏差较小时，杆件偏心对网壳稳定承载力的影响不可忽略；当节点安装偏差较大时，杆件偏心的影响很小，可忽略不计。研究结论可为网壳的优化、设计等奠定基础，为量化网壳损伤程度提供新途径。