索穹顶结构施工成形理论及试验研究

论文摘要

索穹顶结构是一种结构效率极高的结构体系,这种结构以其新颖的结构造型、巧妙的构思、较轻的自重和快速的施工,一经问世就引起国际空间结构学术界、工程界的高度重视。国外已有10余座这样的结构建成,国内对该体系的研究虽然在理论上已经取得了一定的成果,但距工程应用仍有距离,还需进一步深入研究。本文从工程应用角度出发,对索穹顶结构施工成形的关键技术问题进行系统的研究,旨在为索穹顶结构在国内工程应用提供一定的技术储备。作者在阅读了大量文献的基础上,分析了索穹顶结构的特点和优点,总结了国内外研究现状、工程应用以及尚需解决的问题。在前人研究成果的基础上,提出了本文的主要研究内容。基于Lagrange描述的两节点曲线索单元和两节点直线杆单元建立了索穹顶结构非线性混合有限元方程,作为本文研究内容的理论基础。提出了考虑索自重影响的简化分析方法,并基于ANSYS平台开发了索穹顶结构计算程序,若干算例验证了该程序正确可靠,具有较高的精度。针对索穹顶结构施工成形过程复杂多变的特点,提出了施工过程时变分析方法,基于Updated Lagrange列式建立了非线性时变方程,充分考虑了施工过程的时变效应。对索穹顶结构在施工过程中内力和节点位移的时变特性进行了分析,得出必须将索穹顶结构分析和施工过程分析一体化考虑的结论。提出一种新的施工成形方法——分层顶升竖杆法,并与张拉斜索法在施工过程中的力学性状进行了对比分析。算例分析表明,本文方法避免了节点发生较大的位移,降低了施工难度,是一种有效的施工方法,可供索穹顶结构施工采用。应用Monte Carlo方法分析了施工过程中支座加工误差和杆件制作误差等因素对结构力学性能的影响,给出实际施工误差控制的合理范围,并指出施工中应重点控制的对象。为了提高施工效率,提出了不均匀预应力水平的评价标准,为施工调试提供了指导准则,避免了施工调试的盲目性。应用瞬态动力学原理研究了索穹顶结构中局部构件破坏后对结构静力性能的影响和结构的破坏形态。分析了索穹顶结构的失效机理,提出环向承力系统的概念,指出索穹顶结构失效的本质是源于环向承力系统的破坏。根据构件局部破坏后对结构的影响程度,将各构件划分了不同的安全等级,对结构设计、施工以及建后维护有一定的借鉴意义。对直径为6 m的索穹顶结构模型进行了试验研究,模拟了分层顶升竖杆成形方法的施工全过程,并进行了构件破坏试验。试验结果验证了所提出分析理论的正确性和成形方法的可行性。本文的研究工作为索穹顶结构施工提供了有力的技术支持,对索穹顶结构的设计与施工均有重要的理论价值和工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景和研究意义
• 1.2 索穹顶结构的特点和优点
• 1.2.1 索穹顶结构的特点
• 1.2.2 索穹顶结构的优点
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 形态分析
• 1.3.2 力学分析
• 1.3.3 施工成形分析
• 1.3.4 模型试验研究
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 索穹顶结构几何非线性分析
• 2.1 物体运动和变形的描述
• 2.2 基于Lagrange 描述的两节点曲线索单元
• 2.2.1 计算假设
• 2.2.2 位移模式
• 2.2.3 单元应变
• 2.2.4 单元应力
• 2.2.5 单元平衡方程
• 2.2.6 节点不平衡力
• 2.3 索穹顶结构几何非线性分析
• 2.3.1 索穹顶混合有限元方程的建立
• 2.3.2 非线性方程的求解
• 2.3.3 考虑索自重垂度影响的简化分析方法
• 2.4 索穹顶结构计算程序
• 2.4.1 ANSYS 二次开发技术
• 2.4.2 索穹顶结构的拓扑关系
• 2.4.3 基于ANSYS 平台的索穹顶结构计算程序CPCD
• 2.5 算例
• 2.5.1 算例1：单索计算
• 2.5.2 算例2：索网计算
• 2.5.3 算例3：索穹顶结构计算
• 2.6 本章小结
• 第3章 索穹顶结构施工成形过程时变分析
• 3.1 索穹顶结构施工成形分析特点和方法
• 3.1.1 施工成形分析的特点
• 3.1.2 施工成形分析方法
• 3.2 索穹顶结构施工成形过程时变分析
• 3.2.1 非线性时变有限元方程的建立
• 3.2.2 施工成形分析的关键技术
• 3.3 设计、施工一体化的必要性
• 3.4 算例
• 3.5 本章小结
• 第4章 索穹顶结构分层顶升竖杆施工成形方法
• 4.1 已建索穹顶结构的施工成形方法
• 4.1.1 Geiger 型索穹顶结构施工过程
• 4.1.2 Levy 型索穹顶结构施工过程
• 4.2 施工成形方法的新见解
• 4.3 施工成形新方法——分层顶升竖杆法
• 4.3.1 分层顶升竖杆法施工步骤
• 4.3.2 施工过程形态分析
• 4.3.3 施工新方法的优点
• 4.4 算例
• 4.5 本章小结
• 第5章 索穹顶结构施工误差敏感性分析
• 5.1 引言
• 5.2 误差的分类
• 5.2.1 设计阶段的误差
• 5.2.2 施工阶段的误差
• 5.3 施工误差的随机模拟
• 5.3.1 Monte Carlo 方法的基本思想和特点
• 5.3.2 Monte Carlo 方法的步骤
• 5.4 索穹顶结构施工误差敏感性分析
• 5.4.1 几个概念
• 5.4.2 支座施工误差敏感性分析
• 5.4.3 杆件制作误差敏感性分析
• 5.4.4 施工调试的建议
• 5.5 基于统计方法的不均匀预应力水平评价方法
• 5.5.1 统计数学模型的建立
• 5.5.2 假设检验的思想和工程应用
• 5.5.3 评价准则
• 5.6 算例
• 5.7 本章小结
• 第6章 索穹顶结构的失效机理
• 6.1 引言
• 6.2 瞬态动力学原理
• 6.2.1 动力系统运动微分方程
• 6.2.2 动力方程的解法
• 6.3 本文采用的分析方法
• 6.4 构件破坏分析
• 6.4.1 计算模型
• 6.4.2 构件破坏后的结构力学行为
• 6.4.3 小结
• 6.5 索穹顶结构失效机理
• 6.6 索穹顶结构杆件安全等级分类
• 6.7 本章小结
• 第7章 索穹顶结构模型试验研究
• 7.1 模型设计
• 7.1.1 环梁及其连接
• 7.1.2 竖杆与节点
• 7.1.3 索及其连接件
• 7.2 试验前期准备
• 7.2.1 试验仪器设备
• 7.2.2 测点的布置
• 7.2.3 构件的标定
• 7.3 试验主要内容
• 7.3.1 施工成形试验
• 7.3.2 构件破坏试验
• 7.4 误差分析
• 7.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢