一种单层折面网壳结构的理论分析和试验研究

论文摘要

单层折面网壳是近年来新兴起的一种由三角形折面网格组成、外形如宝石群或宝石晶体的单层网壳结构。它摆脱了传统网壳圆柱面、球面、椭球面的构形,造型非常灵活、形式多样,其建筑造型新颖、结构挺拔有力,理论上可以满足任意平面、任意形状的建筑要求,是结构与建筑协调配合的一种新型的刚性空间结构。该结构体系可由梁元或杆元构成,主要依靠折板间脊线、谷线传力,一般建筑外形平面与结构折板面一一对应,便于铺设屋面板。本文从理论和试验两个方面对深圳大运会体育馆所采用的圆形平面单层折面网壳结构进行了系统分析,主要工作概括为如下：(1)回顾了大跨度空间结构发展历程及分类,系统归纳了网壳结构的研究现状,回顾了空间折面结构的发展过程,分析了本文研究背景,并确定了本文的研究内容。(2)通过对单层折面网壳结构的构形研究和机动分析,论证了铰接单层折面网壳结构存在,且是一种满足几何不变性基本要求的静定空间桁架结构。(3)针对圆形平面的铰接单层折面网壳基本体系、环杆加强体系、预应力体系提出简化杆系计算模型和内力计算方程,并给出了铰接单层折面网壳结构三种体系内力和位移的简捷计算方法及预应力体系的预应力优化方法。(4)对单层折面网壳结构进行了均布荷载下的静力分析,研究了铰接刚接、增设环杆、增设预应力环索对结构的静力性能的影响,归纳了单层折面网壳结构在不同预应力水平、构件截面积、平面单元数目等参数条件下结构静力性能。(5)分别对单层折面网壳结构的基本体系、环杆加强体系、预应力体系进行了特征值屈曲分析及非线性屈曲分析,总结了节点铰接和刚接、增设环杆、增设预应力环索对结构的稳定性的影响,揭示了单层折面网壳结构在不同构件截面积、平面单元数目、初始缺陷等参数条件下结构稳定性能。(6)通过改变单层折面网壳结构的节点铰接刚接、水平环杆(或预应力环索)的布置,考察了单层折面网壳结构不同体系的动力特性,研究了不同预应力水平、构件截面积、平面单元数目等参数条件下结构自振频率的变化,分析了结构在地震波多维一致输入及多点输入下的时程响应。(7)设计了B6.8型铰接单层折面网壳结构的试验模型,分别对单层折面网壳结构的基本体系、环杆加强体系、预应力体系进行了全跨、半跨荷载下的静载试验及预应力体系的施工张拉模拟试验,通过试验实测数据与理论分析结果进行了比较和分析,验证了分析理论的可靠性,并给出了可行的张拉施工方案。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 空间结构概述
• 1.2 网壳结构的研究现状
• 1.3 折面结构发展历史及分类
• 1.4 本文的研究背景
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 铰接单层折面网壳结构的构形分析和简化计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 铰接单层折面网壳结构的构形研究和机动分析
• 2.3 铰接单层折面网壳结构的简化计算模型和计算方法
• 2.4 增设环向杆件的单层折面网壳结构的简化计算模型和计算方法
• 2.5 增设环向预应力索的单层折面网壳结构计算方法及预应力分布的确定
• 2.5.1 增设环索的单层折面网壳结构计算方法
• 2.5.2 增设环索的单层折面网壳结构预应力分布的确定
• 2.6 算例
• 2.7 本章小结
• 第3章 单层折面网壳结构的静力性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 静力性能分析
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 全跨荷载下静力性能
• 3.3 增设环杆对结构的影响
• 3.4 增设预应力环索对结构的影响
• 3.4.1 线性叠加原理的理论验证
• 3.4.2 预应力设计
• 3.4.3 预应力单层折面网壳结构的静力性能
• 3.5 结构平面单元数目的变化对结构的影响
• 3.6 结构构件截面积变化对结构竖向位移的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 单层折面网壳结构的稳定性分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算原理
• 4.3 线性屈曲分析
• 4.3.1 节点铰接刚接
• 4.3.2 增设水平环杆
• 4.3.3 增设水平环索
• 4.3.4 平面单元数目
• 4.3.5 杆件截面变化
• 4.4 非线性屈曲分析
• 4.4.1 节点铰接刚接
• 4.4.2 增设水平环杆
• 4.4.3 增设预应力环索
• 4.4.4 平面单元数目变化
• 4.4.5 结构构件截面积变化
• 4.4.6 结构荷载分布变化
• 4.4.7 结构初始几何缺陷
• 4.5 本章小结
• 第5章 单层折面网壳结构的动力性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 动力特性分析
• 5.2.1 网壳结构自振特性计算方法
• 5.2.2 单层折面网壳结构的基本振型
• 5.2.3 增设环杆对单层折面网壳结构自振特性的影响
• 5.2.4 施加预应力对铰接单层折面网壳结构自振特性的影响
• 5.2.5 外荷载对单层折面网壳结构自振特性的影响
• 5.2.6 结构平面单元数目对单层折面网壳结构自振特性的影响
• 5.2.7 杆件截面变化对单层折面网壳结构自振特性的影响
• 5.3 抗震性能分析
• 5.3.1 地震波选取及波速确定
• 5.3.2 单层折面网壳结构地震响应
• 5.3.3 环杆加强单层折面网壳结构地震响应
• 5.3.4 预应力单层折面网壳结构地震响应
• 5.3.5 地震波输入方式对单层折面网壳结构地震响应的影响
• 5.4 本章小结
• 第6章 单层折面网壳结构的模型试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 模型设计
• 6.2.1 支承平台设计
• 6.2.2 单层折面网壳模型设计
• 6.2.3 支座设计
• 6.2.4 加载承台设计
• 6.3 试验前期准备
• 6.3.1 测量系统
• 6.3.2 测点布置
• 6.3.3 材料特性测试
• 6.4 基本体系静力加载试验
• 6.4.1 全跨加载试验
• 6.4.2 半跨加载试验
• 6.5 环杆加强体系静力加载试验
• 6.5.1 全跨静载试验
• 6.5.2 半跨静载试验
• 6.6 预应力体系静力加载试验
• 6.6.1 环索预应力设计
• 6.6.2 线性叠加原理的试验验证
• 6.6.3 预应力体系单级分批张拉试验
• 6.6.4 预应力体系全跨静载试验
• 6.7 结构基本动力特性试验
• 6.8 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 博士期间发表（或录用）的论文