大跨度葵花型空间索桁张力结构的理论分析和实验研究

论文题目: 大跨度葵花型空间索桁张力结构的理论分析和实验研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 蔺军

导师: 董石麟

关键词: 大跨度,索杆张力结构,葵花型空间索桁张力结构,形态分析,几何非线性,平衡矩阵理论,几何稳定性,切线刚度矩阵,多自应力模态,可行预应力分布,找力,预应力优化,截面优化,自平衡内力,静力性能,动力特性,抗震性能,时程分析,模型实验研究,节点设计,模态实验,施工方法,张拉成形

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 索杆张力结构是一种由拉索和压杆构成的具有自平衡预应力的现代空间结构体系。大跨度葵花型空间索桁张力结构作为一种全新的索杆张力结构类型,源于对近期出现的肋环型索桁张力结构的分析研究,试图通过改变索杆构件的拓扑构成关系,进而克服肋环型索桁张力结构特有的力学缺陷。本文首先对索杆张力结构普遍性的形态分析、优化设计等重要问题进行了深入的研究,在此基础上,针对葵花型空间索桁张力结构几何拓扑复杂、多自应力模态与机构位移模态的特点,对该类结构体系首次开展了较为全面、系统的理论计算分析,并对其进行了模型实验研究。首先,本文在查阅大量国内外相关文献的基础上,较为详实地叙述了索杆张力结构的发展过程与研究现状,指出了结构形式的发展演变方向及其进一步的研究方向与内容,提出了本文的主要研究工作。在平衡矩阵理论与能量判定准则的基础上,阐述了索杆张力体系几何稳定性判定的新方法——切线刚度法,并与传统的几何力法进行了对比。推导了铰接杆系结构切线刚度矩阵较为简便的计算生成过程,便于在编程中实现。通过编制结构几何稳定性判定的计算程序,对多种类型结构的几何稳定性问题进行了研究,表明了应用切线刚度法进行体系几何稳定性分析的有效性。对多个整体自应力模态的索杆张力结构可行预应力分布求解中最复杂的情况进行深入的研究,提出了一种普遍意义上的结构可行预应力分布优化求解方法——目标选择优化法;在此基础上,编制了索杆张力结构可行预应力分布优化求解的计算程序,使得多自应力模态索杆张力结构体系的可行预应力分布规律得以便捷而有效的求解。在上述工作的基础上,对索杆张力结构可行预应力分布的计算方法作了较为全面的分类阐述。针对结构的预应力与构件截面两种不同性质设计变量相互影响与制约的特点,提出了分阶段的关联优化设计方法,研究了索杆张力结构构件截面与预应力相互关联的优化问题,并通过编制相应的优化计算程序加以实现。通过拓扑形式复杂的结构算例的优化设计过程,对上述优化设计方法的有效性进行了全面的检验。考虑葵花型空间索桁张力结构拓扑形式的多样性特点,应用上述的方法,对该类新型结构形式的几何稳定性、可行预应力分布及其截面与预应力优化等关键性问题分类加以研究,得到相关的结论,并为进一步的结构力学性能分析提供了条件。考虑结构的几何非线性特征,选取多种形式的结构算例,对不同预应力水平与荷载工况作用下葵花型空间索桁张力结构的静力性能进行了计算分析,对结构的一些重要参数如预应力水平、拓扑形式、各圈压杆变化规律及其变化范围等进行了较

论文目录:

摘要

Abstract

第一章绪论

1．1 空间结构发展概述

1．2 索杆张力结构的发展简史及其工程应用

1．2．1 张拉整体结构

1．2．2 索穹顶结构

1．2．3 空间索桁张力结构

1．3 索杆张力结构的研究现状

1．3．1 结构的形态分析

1．3．2 结构的力学性能分析

1．3．3 施工成形技术研究

1．3．4 模型试验研究

1．4 进一步的研究方向

1．4．1 结构的形式及其创新

1．4．2 张拉成形施工技术

1．4．3 结构预应力分布与优化设计

1．4．4 结构风振分析

1．5 本文的研究目的与内容

参考文献

第二章索杆张力结构的几何稳定性分析

2．1 索杆张力结构形态分析的主要内容

2．2 结构平衡方程

2．3 平衡矩阵及其奇异值分解

2．4 结构独立自应力模态与机构位移模态

2．5 铰接杆系结构的几何稳定性判定

2．5．1 几何力法

2．5．2 切线刚度法

2．5．2．1 结构弹性刚度矩阵

2．5．2．2 结构几何刚度矩阵

2．6 铰接杆系结构的几何稳定性判定算例

2．6．1 平面铰接杆系结构

2．6．2 大跨度肋环型索桁张力结构

2．6．3 葵花型空间索桁张力结构

2．7 本章小结

参考文献

第三章索杆张力结构的预应力计算及其优化设计

3．1 索杆张力结构优化设计的内容

3．1．1 结构优化设计概述

3．1．2 索杆张力结构优化设计的内容与特点

3．1．3 本章的研究内容

3．2 索杆张力结构的可行预应力分布计算及其优化设计

3．2．1 索杆张力结构的第一种找力情形(S=1)

3．2．2 索杆张力结构的第二种找力情形(S’=1)

3．2．3 索杆张力结构的第三种找力情形(S’＞1)

3．3 索杆张力结构的可行预应力分布设计实例

3．3．1 大跨度肋环型空间索桁张力结构

3．3．2 CC类大跨度葵花型空间索桁张力结构

3．3．3 EC(EE)类大跨度葵花型空间索桁张力结构

3．3．4 找力结果验证

3．4 索杆张力结构的预应力与截面优化设计

3．4．1 第一阶段体系可行预应力分布的优化设计

3．4．2 第二阶段构件截面的优化设计

3．4．3 第三阶段结构预应力水平的优化设计

3．4．4 索杆张力结构构件截面与预应力的关联优化

3．5 本章小结

参考文献

第四章葵花型空间索桁张力结构的静力性能及参数分析

4．1 引言

4．2 葵花型空间索桁张力结构的力学计算模型

4．2．1 结构有限元分析的单元类型

4．2．2 索杆张力结构预应力的引入

4．3 几何非线性有限元方法

4．3．1 基本假定

4．3．2 单元应变

4．3．3 单元应力

4．3．4 单元平衡方程及切线刚度矩阵

4．3．5 单元的不平衡力

4．3．6 非线性方程组的求解

4．4 葵花型空间索桁张力结构的静力性能分析

4．4．1 CC类葵花型空间索桁张力结构

4．4．1．1 满跨均布荷载作用下结构的静力计算

4．4．1．2 半跨荷载作用下结构的静力计算

4．4．1．3 预应力水平对结构性能的影响

4．4．1．4 结构体系的静力性能分析

4．4．2 EC类葵花型空间索桁张力结构

4．4．2．1 同圈压杆高度不变的结构形式

4．4．2．2 同圈压杆高度按规律变化的结构形式

4．4．2．3 压杆高度及其变化规律对结构力学性能的影响分析

4．4．2．4 结构体系的静力性能分析

4．4．3 EE类葵花型空间索桁张力结构

4．4．3．1 满跨与半跨荷载作用下结构的静力计算

4．4．3．2 结构体系的静力性能分析

4．4．3．3 关于结构最优形式的讨论

4．5 本章小结

参考文献

第五章葵花型空间索桁张力结构的动力分析

5．1 概述

5．2 葵花型空间索桁张力结构的模态分析

5．2．1 模态分析基本理论

5．2．2 葵花型空间索桁张力结构的模态计算

5．2．3 结构的动力特性分析

5．2．4 预应力水平对结构自振特性的影响

5．2．5 结构不同类型对自振特性的影响

5．3 葵花型空间索桁张力结构的地震响应分析

5．3．1 时程分析基本理论

5．3．2 葵花型空间索桁张力结构的地震响应计算

5．3．3 竖向地震荷载响应时程计算与规范简化计算方法的比较

5．3．4 结构的地震响应分析

5．4 本章小结

参考文献

第六章葵花型空间索桁张力结构的模型实验研究

6．1 概述

6．2 结构模型设计

6．2．1 环梁及其连接

6．2．2 压杆及节点连接

6．2．3 拉索及其连接

6．3 结构模型的张拉成形

6．4 实验的测量与数据采集系统

6．4．1 测量与加载系统

6．4．2 测点的布置

6．4．3 构件的标定

6．5 葵花型空间索桁张力结构模型自平衡内力分布校核

6．6 葵花型空间索桁张力结构模型静载实验

6．6．1 模型满跨加载实验

6．6．2 模型半跨加载实验

6．7 葵花型空间索桁张力结构模态实验

6．7．1 模态实验方法与步骤

6．7．2 模型自振频率

6．7．3 模态振型

6．8 实验的误差分析

6．9 本章小结

参考文献

第七章结论与展望

7．1 本文主要结论

7．2 进一步的研究工作

致谢

作者在攻读博士学位期间已发表和待发的论文

发布时间: 2005-07-15

参考文献

[1].张力节点的承载力和疲劳性能研究[D]. 徐旭东.浙江大学2005
[2].索杆张力结构刚度的动力监测理论研究[D]. 伍晓顺.浙江大学2017
[3].索杆张力结构优化与控制研究[D]. 梁笑天.浙江大学2017
[4].自适应索杆张力结构的理论研究与试验[D]. 李莎.浙江大学2014
[5].基于向量式有限元的索杆结构精细化分析和倒塌破坏研究[D]. 陈冲.浙江大学2017
[6].索杆张力结构的预张力偏差和刚度解析[D]. 夏巨伟.浙江大学2014

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