凯威特—联方型弦支穹顶结构静力性能及稳定性分析

论文摘要

弦支穹顶结构结合了索穹顶和张弦结构的思想,将索穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代而形成杂交空间结构体系。该结构体系受力合理,综合了张弦结构和单层网壳的优点,在大跨度空间结构领域有着广阔的应用前景。本文针对凯威特—联方型弦支穹顶结构提出了以下主要研究内容:以非线性有限单元法为理论基础,应用大型结构有限元软件SAP2000,对典型的凯威特—联方型弦支穹顶结构的静力性能进行计算分析,并将结果与对应的单层网壳的计算结果进行比较,从而掌握运用SAP2000对弦支穹顶结构进行静力分析的方法,了解弦支穹顶结构的基本受力特性及其较单层网壳的优越性。对凯威特—联方型弦支穹顶结构进行参数分析。通过结构在不同矢跨比、撑杆高度、预应力以及上部网壳节点形式下其径向支座反力、节点竖向位移以及构件内力的变化,来研究各种参数对弦支穹顶结构的影响规律。对凯威特—联方型弦支穹顶结构进行静力稳定性分析。从结构的特征值屈曲出发,对结构进行线性和几何非线性屈曲分析。分析结果表明,弦支穹顶的极限承载力较单层网壳有了大幅提高;提出了本文所研究的凯威特—联方型弦支穹顶的建议矢跨比、撑杆高度、预应力以及上部网壳节点形式;针对结构顶点发生失稳而导致结构的极限承载力无法最大限度发挥的问题,提出了在结构顶点下部设置撑杆和径向拉索的解决方案。最后,提出对弦支穹顶结构应用中有待进一步研究的问题,并对该结构体系的后续研究进行展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 弦支穹顶结构的研究背景
• 1.1.2 弦支穹顶结构的概念
• 1.2 弦支穹顶结构的分类及特点
• 1.2.1 肋环型弦支穹顶
• 1.2.2 施威德勒弦支穹顶
• 1.2.3 凯威特型弦支穹顶
• 1.2.4 联方型弦支穹顶
• 1.2.5 凯威特—联方型弦支穹顶
• 1.2.6 三向网格型弦支穹顶
• 1.2.7 短程线型弦支穹顶
• 1.3 弦支穹顶结构的国内、外研究现状及工程应用
• 1.3.1 弦支穹顶结构的国外研究现状及工程应用
• 1.3.2 弦支穹顶结构的国内研究现状及工程应用
• 1.4 本文的主要研究工作
• 2 非线性有限单元法与有限元建模
• 2.1 引言
• 2.2 空间杆单元刚度矩阵
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 平衡方程的建立
• 2.3 空间梁单元
• 2.3.1 基本假定
• 2.3.2 弹性梁单元在随动局部坐标系中的切线刚度矩阵
• 2.3.3 弹性梁单元在单元局部坐标系中的切线刚度矩阵
• 2.4 间断索单元
• 2.5 总刚矩阵的集成与边界条件的处理
• 2.5.1 总刚矩阵的集成
• 2.5.2 边界条件的处理
• 2.6 非线性方程组的求解方法
• 2.7 弦支穹顶结构的形态分析及受力原理
• 2.7.1 形态分析
• 2.7.2 受力原理
• 2.8 典型凯威特—联方型弦支穹顶结构静力性能分析
• 2.8.1 结构建模
• 2.8.2 静力性能分析
• 2.9 本章小结
• 3 不同参数对弦支穹顶结构静力性能的影响
• 3.1 概述
• 3.2 分析模型
• 3.3 不同参数下弦支穹顶结构的静力分析
• 3.3.1 矢跨比对结构的影响
• 3.3.2 撑杆高度对结构的影响
• 3.3.3 预应力对结构的影响
• 3.3.4 节点刚度对结构的影响
• 3.4 本章小结
• 4 弦支穹顶结构的弹性稳定性分析
• 4.1 概述
• 4.2 SAP2000 中线性屈曲和非线性屈曲的相关技术背景及应用
• 4.2.1 线性屈曲
• 4.2.2 非线性屈曲
• 4.2.3 两类稳定问题的应用
• 4.3 特征值屈曲分析
• 4.3.1 弦支穹顶与单层网壳特征值屈曲的比较
• 4.3.2 弦支穹顶特征值屈曲的参数分析
• 4.4 几何非线性屈曲分析
• 4.4.1 弦支穹顶与单层网壳的几何非线性屈曲比较
• 4.4.2 弦支穹顶几何非线性屈曲的参数分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：在攻读硕士学位期间发表的学术论文