倒圆角三角形弦支穹顶结构施工仿真及预应力优化分析

论文摘要

预应力空间钢结构是预应力技术与空间结构体系相结合而衍生出来的新的结构形式,具有良好的受力性能。弦支穹顶结构是近二十年发展起来的新型预应力空间钢结构体系。通过对下弦索施加预应力,使上层网壳产生与荷载作用相反的内力和位移,增强结构的整体稳定性。弦支穹顶结构实际工程应用还不多,施工经验也不充分,倒圆角三角形形状在弦支穹顶结构中尚无工程经验可以参考,针对此结构的施工过程分析和预应力优化很有必要。本文总结了弦支穹顶结构的特点和国内外研究成果,介绍了弦支穹顶结构施工过程中采用的非线性有限元理论和求解方法。以重庆空港体育馆工程建设为契机,对大跨度倒圆角三角形弦支穹顶结构的施工过程和预应力优化设置方法进行理论分析。弦支穹顶结构施工仿真分析包括找形分析和索张拉过程分析两方面的内容。基于非线性有限元原理,区分结构的初始态、几何零状态和荷载态,指出弦支穹顶的施工过程是结构从几何零状态到初始态的连续变化的过程,通过有限元程序对倒圆角三角形弦支穹顶结构成形过程进行仿真分析。采用张力松弛法,分析了此弦支穹顶结构在张拉成形过程中,随着索力的增加而引起的杆件内力、节点位移和不同索之间的预应力变化。通过对同一倒圆角三角形弦支穹顶结构的4种预应力方案静力分析,比较了不同的预应力设置方案下结构的最大竖向位移、上部网壳构件的最大轴力和支座径向位移的不同。在此基础上提出了更能提高此类结构受力性能指标的综合优化方案。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 弦支穹顶结构的概念
• 1.1.2 弦支穹顶结构的优点
• 1.1.3 弦支穹顶结构体系的分类
• 1.2 弦支穹顶结构的工程应用
• 1.2.1 弦支穹顶结构的国际工程应用
• 1.2.2 弦支穹顶结构的国内工程应用
• 1.3 弦支穹顶结构的研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 国内外研究的不足
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 几何非线性有限单元法
• 2.1 引言
• 2.2 几何非线性分析的基本方法
• 2.2.1 完全的拉格朗日（T. L）公式
• 2.2.2 修正的拉格朗日（U. L）公式
• 2.2.3 （T.L）方程与（U.L）方程两种方法的比较与讨论
• 2.3 空间梁－柱单元非线性有限单元法
• 2.3.1 基本假定
• 2.3.2 弹性梁—柱单元在随动局部坐标系中的切线刚度矩阵
• 2.3.3 弹性梁—柱单元在单元局部坐标系中的切线刚度矩阵
• 2.4 空间铰支杆非线性有限单元法
• 2.4.1 基本假定
• 2.4.2 平衡方程的建立
• 2.4.3 铰支杆单元的不平衡力
• 2.5 空间索单元
• 2.6 总刚矩阵的集成与边界条件的处理
• 2.6.1 总刚矩阵的集成
• 2.6.2 边界条件的处理
• 2.7 非线性方程组求解的基本方法
• 2.7.1 增量法
• 2.7.2 N－R 迭代法
• 2.7.3 混合法
• 3 弦支穹顶结构施工仿真分析理论
• 3.1 引言
• 3.2 弦支穹顶结构设计及施工成形分析的基本思想
• 3.2.1 弦支穹顶结构施工分析的特点
• 3.2.2 弦支穹顶结构设计和施工的基本过程
• 3.3 找形分析
• 3.3.1 一般柔性张力结构体系形态分析
• 3.3.2 弦支穹顶结构形状确定的特殊性
• 3.3.3 逆迭代法找形分析原理及方法
• 3.4 施工成形过程的仿真分析理论
• 3.4.1 张力松弛法施工仿真分析原理
• 3.4.2 ANSYS 软件实现施工仿真分析的方法
• 3.4.3 ANSYS 单元类型选取
• 3.4.4 ANSYS 单元生死功能
• 4 倒圆角三角形弦支穹顶结构施工全过程仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 工程概况
• 4.3 张拉过程仿真分析
• 4.3.1 施工方案
• 4.3.2 找形分析结果
• 4.3.3 预应力索张拉控制值分析
• 4.3.4 张拉过程中上弦节点位移变化
• 4.3.5 张拉过程中网壳构件内力变化
• 4.3.6 张拉过程中预应力索内力变化
• 4.3.7 张拉过程中撑杆内力变化
• 4.4 本章小结
• 5 倒圆角三角形弦支穹顶结构预应力优化
• 5.1 引言
• 5.2 预应力优化方案一
• 5.2.1 计算假定
• 5.2.2 计算原则
• 5.2.3 张力补偿法的原理与计算步骤
• 5.3 预应力优化方案二
• 5.4 预应力优化方案三
• 5.5 倒圆角三角形弦支穹顶结构预应力优化实例
• 5.5.1 预应力优化方案一
• 5.5.2 预应力优化方案二
• 5.5.3 预应力优化方案三
• 5.5.4 原设计方案
• 5.5.5 综合优化方案
• 5.6 本章小结
• 6 结论及展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录