张拉索膜结构的膜褶皱与索系失效研究

论文摘要

张拉索膜结构的膜褶皱分析与索系失效分析是该类结构荷载态分析中的两个重要方面。通过膜褶皱处理,可以在膜面出现受力褶皱后对结构的荷载响应进行正确的分析。通过索系的失效分析,可以定量分析各构件的重要性并找到结构的薄弱环节,得到结构体系的失效模式和可靠度指标。本文进行了以下研究工作并得到了一些有意义的结论:(1)基于实际的张拉索膜工程中精确的结构形态和索的预张力分布都是未知的这一情况,提出了适时考虑索找力的索膜结构形态分析方法。采用该方法对小型张拉索膜结构及大型张拉索膜工程进行了形态分析,发现该方法可以快速有效的得到合理的结构形态和合适的预张力分布,使索找力和结构找形成为了一个统一的过程。(2)提出了局部坐标系转置和刚度等效分析褶皱膜的方法,该方法通过局部坐标系转置,避免了褶皱单元主应力方向上复杂满秩矩阵的处理问题,给褶皱膜的分析提供了新的思路。采用该方法对马鞍形索膜结构和伞形索膜结构进行了褶皱分析,结果表明该方法可以有效地对褶皱膜进行处理,可得到褶皱单元出现后膜结构正确的荷载响应。(3)为解决膜褶皱分析时的计算发散、精度较低和工程应用等问题,提出了剪切模量归零和刚度等效来分析膜的褶皱的方法。该方法是局部坐标系转置和刚度等效分析法的改进方法,可以在不进行局部坐标系转置的情况下,实现局部坐标系和主应力方向的重合,大大提高了计算效率和计算精度,通过对两个大型膜结构的褶皱分析,发现该方法能快速有效地对大型膜结构进行褶皱处理,解决了膜褶皱分析的工程应用问题。(4)通过对索构件的失效进行研究,提出了采用环比评分法(DARE法)和敏感性分析法相结合的构件重要性分析方法。该方法基于体系刚度变化理论,可定量得到构件的相对重要性系数。根据构件重要性分析结果,提出了关键构件重要性弱化的概念和相关措施。对宝安体育场的分析结果表明,通过对关键索构件的分索处理,可有效降低关键构件的重要性系数,可增多结构的安全防线,提高结构体系的抗倒塌能力。(5)提出了采用路径可靠数寻找索系主要失效模式的方法,该方法通过可靠数这一本文中新定义的概念来判断体系的主要失效构件和寻找主要失效模式。通过对大型索膜结构的失效分析发现,路径可靠数可以直观的反映失效路径在各失效序列上的位置和失效路径的长度,路径平均可靠数可初步判别主要失效模式的序位,可简化结构体系可靠度计算的复杂过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 张拉索膜结构简介
• 1.1.1 张拉索膜结构的材料性能
• 1.1.2 张拉索膜结构的受力特点
• 1.2 研究背景和研究意义
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 张力膜受力褶皱的研究现状
• 1.3.2 索系失效的研究现状
• 1.3.3 研究中存在的问题
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 张拉索膜结构的形态分析
• 2.1 引言
• 2.2 相关分析程序简介
• 2.2.1 Strand7 简介
• 2.2.2 Strand7API 简介
• 2.3 基本理论
• 2.3.1 三节点膜单元的形函数矩阵
• 2.3.2 几何方程
• 2.3.3 局部坐标系下的单元平衡方程
• 2.3.4 找形计算时的基本方程
• 2.4 基于Strand7 的索膜结构找形分析和程序实现
• 2.4.1 找形分析步骤
• 2.4.2 实例验证
• 2.5 在适当时刻考虑索找力的找形方法
• 2.5.1 方法的基本思想和分析流程
• 2.5.2 工程实例计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 褶皱膜的局部坐标系转置和刚度等效法分析
• 3.1 引言
• 3.2 基本理论
• 3.2.1 新方法思路的形成
• 3.2.2 新方法分析褶皱单元的步骤
• 3.2.3 局部坐标系转置后的等效弹性矩阵
• 3.2.4 单元的褶皱处理
• 3.2.5 褶皱处理时的精度设置
• 3.3 实例分析
• 3.3.1 马鞍型双曲抛物面索膜结构
• 3.3.2 伞形张拉索膜结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 褶皱膜的剪切模量归零和刚度等效法分析
• 4.1 引言
• 4.2 两种方法的对比分析
• 4.2.1 方法1 的基本思路及存在的问题
• 4.2.2 方法2 的思路和优势
• 4.2.3 方法2 褶皱处理的理论推导
• 4.3 小型膜结构的计算分析对比
• 4.3.1 结构参数描述
• 4.3.2 计算分析对比
• 4.4 方法2 在膜工程中的应用
• 4.4.1 星海文化广场
• 4.4.2 深圳宝安体育场
• 4.5 本章小结
• 第五章 索构件的失效分析及其重要性研究
• 5.1 引言
• 5.2 索构件的失效分析
• 5.2.1 索的松弛处理
• 5.2.2 索的破断处理
• 5.3 重要性分析的基本理论
• 5.3.1 结构的易损性和鲁棒性
• 5.3.2 敏感性分析方法
• 5.3.3 柔性体系基于刚度变化的构件重要性分析
• 5.3.4 DARE 法分析构件的相对重要性
• 5.3.5 柔性构件重要性分析的方法和步骤
• 5.3.6 重要构件的重要性弱化分析
• 5.4 实例计算结果
• 5.4.1 基本参数
• 5.4.2 有限元分析结果
• 5.4.3 重要性系数计算
• 5.4.4 关键构件的重要性弱化分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 索系系统的失效分析
• 6.1 引言
• 6.2 基本理论
• 6.2.1 索系失效的判别准则
• 6.2.2 索构件可靠度指标的求法
• 6.2.3 寻找索系主要失效模式的路径可靠数法
• 6.2.4 主要失效模式的相关性
• 6.2.5 体系可靠度的计算方法
• 6.2.6 索系结构系统失效分析的步骤
• 6.3 计算实例
• 6.3.1 经典桁架结构
• 6.3.2 大型索系结构
• 6.4 本章小结
• 结论和建议
• 本文创新点及主要成果
• 本文主要结论
• 下一步研究的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附表