工程力学 ›› 2019, Vol. 36 ›› Issue (9): 136-142,153.doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2018.08.0444

• 土木工程学科 • 上一篇    下一篇

双曲壳结构非均匀风压作用局部稳定验算

田敏1,2, 赵林2, 焦双健1, 葛耀君2   

  1. 1. 中国海洋大学工程学院, 山东, 青岛 266100;
    2. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室, 上海 200092
  • 收稿日期:2018-08-07 修回日期:2019-01-25 出版日期:2019-09-25 发布日期:2019-03-21
  • 通讯作者: 赵林(1974-),男,黑龙江牡丹江人,教授,博士,博导,从事结构风工程研究(E-mail:zhaolin@tongji.edu.cn). E-mail:zhaolin@tongji.edu.cn
  • 作者简介:田敏(1995-),男,江苏盐城人,硕士生,从事结构风工程研究(E-mail:ouctommy@163.com);焦双健(1973-),男,河北保定人,副教授,博士,从事结构风工程研究(E-mail:hnbc_7@163.com));葛耀君(1958-),男,上海人,教授,博士,博导,从事结构风工程研究(E-mail:yaojunge@tongji.edu.cn).
  • 基金资助:
    科技部国家重点基础研究计划(973计划项目)2013CB036300);国家自然科学基金项目(51323013,51678451);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-13-0429)

LOCAL STABILITY ALGORITHM FOR HYPERBOLIC SHELL STRUCTURES UNDER NON-UNIFORM WIND LOADS

TIAN Min1,2, ZHAO Lin2, JIAO Shuang-jian1, GE Yao-jun2   

  1. 1. Department of Civil Engineering, College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao, Shandong 266100, China;
    2. State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
  • Received:2018-08-07 Revised:2019-01-25 Online:2019-09-25 Published:2019-03-21

摘要: 风荷载条件大型双曲旋转壳体结构局部稳定性为结构设计关键控制因素。为考虑双曲旋转壳体结构在风载荷作用下的局部稳定性问题,现行国内外水工规范多采用20世纪70年代提出的基于环向均匀荷载加载试验方案的Mungan局部稳定验算公式(亦称为Buckling Stress State(BSS)方法)。首先,以Mungan提出的静水压力试验为基础,基于结构有限元分析算法,构建了早期壳体物理试验模型的有限元模型,分析了双曲旋转壳体在环向均布平均风压作用下的稳定性与试验结果的差异,验证了早期试验在特定条件下的正确性。为进一步评价该算法应用于以超大型冷却塔为代表的壳体结构设计的适用性和合理性,计算了水工规范(GB/T 50102-2003)中21种线型的双曲旋转壳体在环向非均布风压作用下的极限荷载,探讨了Mungan局部稳定验算公式有待改进的方向,提出了适用于非均布荷载作用下环向应力临界荷载计算公式,拟合得到改进的局部稳定验算公式。研究表明:水工规范建议的双曲旋转壳体结构局部稳定验算公式难于描述壳体实际情况下的非均布风压变化受力特征,推荐适用于非均匀风压分布变化的更新局部稳定验算公式,可以兼顾结构设计过程的便捷性与合理性。

关键词: 双曲壳体, 局部稳定性, 非均布荷载, 超大型冷却塔, 有限元分析

Abstract: The stability of large-scale hyperbolic shells under wind loads is one of key control factors during structural design. In order to evaluate the local stability of hyperbolic shell structures under the combined action of wind load and other loads, the current codes usually adopt the local stability check formula proposed by Mungan, based on the stress-measured model test considering uniform hydrostatic pressure in 1970s, which also known as Buckling Stress State (BSS) approach. In order to investigate the applicability and rationality of the algorithm while facing to the current development of super-large cooling towers. Based on the structural finite element method, the revisiting analysis aiming at earlier physical models was conducted to validate the existing stability check formula. Then series of calculations involving 21 types of hyperbolic shell cooling tower structures were implemented to clarify the difference between the circumferential fluctuating wind pressure distribution and the uniform pressure distribution of wind-induced internal forces. Under the condition of the wind pressure ultimate load, an updated formula for the critical circumferential stress is proposed. Furthermore, the updated local stability check formula is fitted for engineering practice. The investigation shows that the existing local stability formula of the hyperbolic shell structure from various loading codes cannot deal with 3D non-uniform wind pressure actions. It is recommended to use the updated formula to account complex wind load distributions.

Key words: hyperbolic shell, local stability, non-uniform loads, super-large cooling tower, finite element analysis

中图分类号: 

  • TU33.2
[1] Krivoshapko S N. Static, vibration, and buckling analyses and applications to one-sheet hyperboloidal shells of revolution[J]. Applied Mechanics Review, 2002, 55(3):241-270.
[2] Der T J, Filder R. A model study of the buckling behavior of hyperbolic shells[C]. London:Proceedings of the 4th Institution of Engineering, 1968, 41(1):105-118.
[3] Mungan I. Buckling stresses of hyperboloidal shells[J]. Journal of Structural Division, 1976, 80(2):2005-2020.
[4] Krätzig WB, Wittek U, Basar Y. Buckling of general shells-theory and numerical analysis[C]. Cambridge:Cambridge University Press, 1983, 377-394.
[5] Agapov V P. Finite element method in statics dynamics and stability of spatial thin-walled stiffened constructions[C]. Moscow, ASV izd-vo, 2000:156-157.
[6] Sabouri-Ghomi S, Kharrazi M H K, Javidan P. Effect of stiffening rings on buckling stability of r.c. hyperbolic cooling towers[J]. Thin-Walled Structures, 2006, 44(2):152-158.
[7] 张军锋. 双曲壳体冷却塔局部稳定检算方法研究[J]. 建筑结构, 2015, 79(2):51-56. Zhang Junfeng. Study on local stability method of hyperboloidal shell cooling towers[J]. Building Structure, 2015, 79(2):51-56. (in Chinese)
[8] GB/T 50102-2003, 工业循环水冷却设计规范[S]. 北京:中国计划出版社, 2003. GB/T 50102-2003, Code for design of cooling for industrial recalculating water[S]. Beijing:Chinese Planning Press, 2003. (in Chinese)
[9] BS 4485, Part 4 code of practice for structural design and construction-water cooling towers[S]. London:British Standard Institution, 1996.
[10] IASS, Recommendations for the design of hyperbolic or other similarly shaped cooling towers[S]. Belgium, Working Group No.3, 1977.
[11] IASS, Recommendations for the design of hyperbolic or other similarly shaped cooling towers[S]. Spain, Working Group No.3, 1979.
[12] VGB-Guideline:Structural design of cooling tower-technical guideline for the structural design, computation and execution of cooling towers (VGB-R 610Ue)[S]. Essen:BTR Bautechnik bei Kühltürmen, 2005.
[13] Abel J F, Billington D P, Nagy D A, et al. Buckling of cooling towers[J]. Journal of Structural Division, 1982, 10(ST10):2162-2174.
[14] Zhang J F, Ke S T, Zhao L, et al. Re-recognition of the BSS approach for hyperboloidal cooling towers[C]. In Cooling Towers. 6th Int. Symp. on Cooling Towers ISCT2012, Harte, R. and Meiswinkel, R. (eds.). Cologne, 2012, 291-298.
[15] 张军锋, 葛耀君, 赵林. 基于风洞试验的双曲冷却塔静风整体稳定研究[J]. 工程力学, 2012, 29(5):68-77. Zhang Junfeng, Ge Yaojun, Zhao Lin. Study on global aerostatic stability of hyperboloidal cooling towers based on the wind tunnel tests[J]. Engineering Mechanics, 2012, 29(5):68-77. (in Chinese)
[16] Mungan I. Buckling of reinforced concrete cooling tower shells:BSS approach[J]. Structural Journal, 1982, 79(5):387-391.
[17] Zhao L, Ge Y J. Wind loading characteristics of super-large cooling towers[J]. Wind and Structures, 2010, 13(3):257-273.
[18] 展艳艳, 赵林, 梁誉文, 等. 大型冷却塔群塔组合(六塔双列)风致干扰准则综合评价[J]. 工程力学, 2017, 34(11):66-76. Zhan Yanyan, Zhao Lin, Liang Yuwen, et al. Comprehensive assessment of wind-induced interference criteria about large cooling towers with typical six-towers double-columns arrangements[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(11):66-76. (in Chinese)
[1] 李达, 牟在根. 内嵌VV-SPSW平面钢框架结构抗震性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 210-216.
[2] 杨志坚, 韩嘉明, 雷岳强, 赵海龙, 胡嘉飞. 预应力混凝土管桩与承台连接节点抗震性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 248-254.
[3] 林德慧, 陈以一. 部分填充钢-混凝土组合柱整体稳定分析[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 71-77,85.
[4] 贾明明, 李志平, 吕大刚, 侯宪安, 郎路光. 超大型冷却塔风荷载时程响应及动力抗风性能分析[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 118-124.
[5] 杨浩, 罗帅, 邢国然, 王伟. 杆梁组合结构的有限元分析[J]. 工程力学, 2019, 36(S1): 154-157,169.
[6] 王威, 刘格炜, 苏三庆, 张龙旭, 任英子, 王鑫. 波形钢板剪力墙及组合墙抗剪承载力研究[J]. 工程力学, 2019, 36(7): 197-206,226.
[7] 钱海峰, 赵婧同, 王元清, 王登峰. 考虑除尘器箱体墙板-立柱协同受力时立柱在横向荷载作用下的内力计算[J]. 工程力学, 2019, 36(7): 227-237,247.
[8] 牟犇, 王君昌, 崔瑶, 庞力艺, 松尾真太朗. 一种改进型方钢管柱与钢梁连接节点抗震性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(6): 164-174.
[9] 常笑, 杨璐, 王萌, 尹飞. 循环荷载下奥氏体型和双相型不锈钢材料本构关系研究[J]. 工程力学, 2019, 36(5): 137-147.
[10] 朱张峰, 郭正兴. 考虑竖向与水平接缝的工字形装配式混凝土剪力墙抗震性能试验研究[J]. 工程力学, 2019, 36(3): 139-148.
[11] 周云, 陈太平, 胡翔, 易伟建. 考虑周边结构约束影响的RC框架结构防连续倒塌性能研究[J]. 工程力学, 2019, 36(1): 216-226,237.
[12] 温科伟, 刘树亚, 杨红坡. 基于小应变硬化土模型的基坑开挖对下穿地铁隧道影响的三维数值模拟分析[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 80-87.
[13] 王兵, 尤洪旭, 刘晓. 高温后型钢再生混凝土梁受弯研究[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 161-165,180.
[14] 杨志坚, 雷岳强, 谭雅文, 李帼昌, 王景明. 改进的PHC管桩与承台连接处桩端受力性能研究[J]. 工程力学, 2018, 35(S1): 223-229.
[15] 郑山锁, 张晓辉, 黄威曾, 赵旭冉. 近海大气环境下锈蚀平面钢框架抗震性能试验研究及有限元分析[J]. 工程力学, 2018, 35(7): 62-73,82.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 张冬娟;崔振山;李玉强;阮雪榆. 平面应变板料拉弯成形回弹理论分析[J]. 工程力学, 2007, 24(7): 0 -071 .
[2] 张伯艳;陈厚群. LDDA动接触力的迭代算法[J]. 工程力学, 2007, 24(6): 0 -006 .
[3] 陈有亮;邵伟;周有成. 水饱和混凝土单轴压缩弹塑性损伤本构模型[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 59 -063, .
[4] 吴方伯;黄海林;陈伟;周绪红;. 肋上开孔对预制预应力混凝土带肋薄板施工阶段挠度计算方法的影响研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 64 -071 .
[5] 李宗利;杜守来. 高渗透孔隙水压对混凝土力学性能的影响试验研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 72 -077 .
[6] 王坤;谢康和;李传勋;童磊. 特殊条件下考虑起始比降的双层地基一维固结解析解[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 78 -082 .
[7] 姜亚洲;任青文;吴晶;杜小凯. 基于双重非线性的混凝土坝极限承载力研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 83 -088 .
[8] 吴明;彭建兵;徐平;孙苗苗;夏唐代. 考虑土拱效应的挡墙后土压力研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 89 -095 .
[9] 陆本燕;刘伯权;邢国华;吴涛. 桥梁结构基于性能的抗震设防目标与性能指标研究[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 96 -103, .
[10] 左志亮;蔡健;钟国坤;杨春;. 带约束拉杆T形截面钢管内核心混凝土的等效单轴本构关系[J]. 工程力学, 2011, 28(11): 104 -113 .
X

近日,本刊多次接到来电,称有不法网站冒充《工程力学》杂志官网,并向投稿人收取高额费用。在此,我们郑重申明:

1.《工程力学》官方网站是本刊唯一的投稿渠道(原网站已停用),《工程力学》所有刊载论文必须经本刊官方网站的在线投稿审稿系统完成评审。我们不接受邮件投稿,也不通过任何中介或编辑收费组稿。

2.《工程力学》在稿件符合投稿条件并接收后会发出接收通知,请作者在接到版面费或审稿费通知时,仔细检查收款人是否为“《工程力学》杂志社”,千万不要汇款给任何的个人账号。请广大读者、作者相互转告,广为宣传!如有疑问,请来电咨询:010-62788648。

感谢大家多年来对《工程力学》的支持与厚爱,欢迎继续关注我们!

《工程力学》杂志社

2018年11月15日