矩形平面索穹顶结构的理论分析与试验研究

论文摘要

索穹顶结构除少数几根杆件受压外,其余杆件都处于张力状态,所以充分发挥了钢索的高强特性,且索穹顶结构一般以膜材作为覆盖材料,具有自重轻、跨度大及建筑造型自由丰富等特点。故这种结构同时集新材料、新技术、新工艺和高效率于一体,被认为是代表当今国际空间结构发展最高水平的结构形式。目前国际上有实际工程应用的索穹顶结构有Geiger型和Levy型两种,但现有对Geiger型索穹顶结构的研究都集中于圆形平面的结构形式上,关于矩形平面的索穹顶结构并未见有文献描述。本文对矩形平面Geiger型索穹顶结构的可行预应力分布、机构位移求解、施工张拉成形方法、结构的静动力性能、索杆膜的协同分析及其结构模型试验等内容进行了系统的研究。 本文第一章在查阅大量国内外相关文献的基础上,简单回顾了索穹顶结构的发展历史、工程应用及研究现状,并确定了本文的主要研究内容。 第二章推导了基于悬链线解析解的索单元变形协调方程式,并编制了相应计算程序对索穹顶结构精确的预应力分布进行求解,结构分析时压杆采用两节点直线杆单元,索采用悬链线索单元;考虑到索穹顶结构属于动不定结构体系,文中还对动不定体系的求解过程进行了详细的推导,同时采用建立在大变形基础上的变形协调方程来求解结构体系的有限机构位移。 考虑矩形平面Geiger型索穹顶结构对称性和预应力分布的可行性之后,矩形平面Geiger型索穹顶结构通常只有一个自应力模态,对于一个自应力模态的结构体系,可以建立其预应力分布的简捷显式计算公式,本文第三章推导了矩形平面Geiger型索穹顶结构预应力分布的计算公式。 索穹顶结构的施工方法研究一直是该类结构体系研究的重点和难点之一,本文第四章对圆形平面和矩形平面Geiger型索穹顶结构的多种施工张拉方法进行了详细探讨和研究,并对索穹顶结构的施工过程进行跟踪和模拟,从而提出了一次张拉索穹顶结构外圈斜索、环索或其它杆件的施工成形方法。 第五章对矩形平面Geiger型索穹顶结构索杆部分在满跨荷载、半跨荷载作用下的受力进行了分析研究,考察了结构预应力改变对结构受力性能的影响,并将其静力特性与圆形平面轴对称Geiger型索穹顶结构进行对比分析,最后对索穹顶结构的动力特性进行了简单计算。 第六章对矩形平面Geiger型索穹顶结构进行了索杆膜协同分析,并提出了索穹顶结构索杆膜找形的逐次逼近法;其次在找形后的平衡态施加荷载,考虑索杆膜结构体系在满跨、半跨荷载作用下的力学性能。 第七章设计并加工了一矩形平面(4.7m×3.4m)Geiger型索穹顶结构,并对该模型进行了试验研究,研究内容包括预应力的施加、多种荷载工况的加载试验、自振频率的测试及多种施工成形方案的验证等。 论文最后对本文研究内容及成果进行总结,并指出了今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 大跨空间结构概述
• 1.2 索穹顶结构的发展历史及工程应用
• 1.3 索穹顶结构的研究内容及现状
• 1.3.1 结构的形态及稳定性分析
• 1.3.2 施工分析
• 1.3.3 受力性能分析
• 1.3.4 索杆膜协同分析
• 1.3.5 风振分析
• 1.3.6 试验研究
• 1.4 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 索穹顶结构的形态分析
• 2.1 引言
• 2.2 空间铰接结构体系分类
• 2.3 索杆部分初始预应力分布计算
• 2.3.1 不考虑结构自重的预应力分布
• 2.3.2 考虑结构自重的预应力分布
• 2.3.3 杆件初始长度已知时索穹顶结构预应力分布计算
• 2.3.3.1 悬链线索单元
• 2.3.3.2 杆单元
• 2.3.3.3 索杆预应力分布求解
• 2.3.4 算例
• 2.4 机构的运动分析
• 2.4.1 基本方程
• 2.4.2 动不定结构体系的求解
• 2.4.2.1 相容方程求解
• 2.4.2.2 非相容方程求解
• 2.4.3 算例分析
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 矩形平面Geiger型索穹顶结构初始预应力分布的简捷计算方法
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型
• 3.3 设内环索穹顶的初始预应力分布
• 3.4 不设内环索穹顶的初始预应力分布
• 3.5 算例
• 3.5.1 设内环矩形平面Geiger型索穹顶结构算例
• 3.5.2 不设内环矩形平面Geiger型索穹顶结构算例
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 索穹顶结构的施工方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 索穹顶结构施工分析的基本过程
• 4.3 基本理论与算例
• 4.4 索穹顶结构的施工张拉方法研究
• 4.5 圆形平面Geiger型索穹顶结构多种施工张拉方法研究
• 4.5.1 张拉外圈斜索法
• 4.5.1.1 放松最外圈斜索
• 4.5.1.2 不设塔架的施工方法研究
• 4.5.1.3 设塔架的施工方法研究
• 4.5.2 张拉外圈环索法
• 4.5.3 张拉外圈脊索法
• 4.6 矩形平面Geiger型索穹顶结构多种施工张拉方法研究
• 4.6.1 张拉外圈斜索法
• 4.6.2 张拉环索法
• 4.6.3 调节外圈压杆长度成形法
• 4.7 本章小结
• 参考文献
• 第五章 矩形平面Geiger型索穹顶结构静动力特性分析
• 5.1 引言
• 5.2 计算理论
• 5.3 矩形平面Geiger型索穹顶的静力特性分析
• 5.3.1 满跨均布荷载作用下结构的静力计算
• 5.3.2 半跨均布荷载作用下结构的静力计算
• 5.3.3 预应力对结构静力性能的影响
• 5.3.4 圆形平面Geiger型索穹顶结构的静力计算
• 5.4 动力特性分析
• 5.4.1 结构频率
• 5.4.2 结构振型
• 5.4.3 预应力对结构自振频率的影响
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 矩形平面Geiger型索穹顶的索杆膜协同分析
• 6.1 引言
• 6.2 计算理论
• 6.2.1 膜单元基本方程
• 6.2.2 褶皱单元处理
• 6.3 索杆膜结构协同找形分析
• 6.3.1 找形过程
• 6.3.2 算例分析
• 6.4 索杆膜结构的静力分析
• 6.4.1 满跨均布荷载作用下结构的静力计算
• 6.4.2 半跨均布荷载作用下结构的静力计算
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 第七章 模型试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 模型设计
• 7.2.1 环梁及其下部支承构件
• 7.2.2 索及压杆
• 7.2.3 节点设计
• 7.3 试验前期准备
• 7.3.1 测量系统
• 7.3.2 测点布置
• 7.3.3 构件标定
• 7.4 试验测试内容
• 7.4.1 模型初始预应力测定
• 7.4.2 模型满跨加载试验
• 7.4.3 模型半跨加载试验
• 7.4.4 施工张拉控制
• 7.4.4.1 张拉外圈斜索成形法
• 7.4.4.2 张拉外圈环索成形法
• 7.4.5 模型自振频率
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 今后的研究工作
• 致谢