空间索膜结构的力密度法静力分析研究

论文题目: 空间索膜结构的力密度法静力分析研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 结构工程

作者: 苏建华

导师: 韩大建

关键词: 张拉膜结构,支承结构,相互作用,力密度法,几何非线性,整体找形分析,整体荷载分析,褶皱

文献来源: 华南理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 张拉膜结构是近几十年逐渐发展起来的一种新型的张拉整体结构，在我国正得到日益广泛的应用。张拉膜结构的形状与内力是相互耦合的，所以静力分析包括找形与荷载分析，是研究此类结构的基本问题，其目的是求解结构平衡时的几何形状及其对应的内力。而在静力分析中，膜结构与支承结构的相互作用问题也是膜结构设计的难点与关键之一，它关系到计算的结果是否准确合理、结构的强度和刚度是否可以满足建筑的安全性要求等。我国的《膜结构技术规程》已建议“对于可能产生较大位移的支承点，在计算中应考虑支座位移的影响，与支承结构一起进行整体分析”，因此很有必要对膜结构与支承结构在找形与荷载分析过程的相互作用问题进行深入的分析和研究。 本文以力密度法为基础，采用应力等效与刚度等效方法，将膜结构离散成经纬向的索网结构进行静力分析，主要做了以下的几项工作： 一、在边界固定点为刚性支承的膜结构找形分析方面 1．针对按传统力密度法找形公式编程时求解速度慢的缺点，首次提出了“单元力密度矩阵”与“整体力密度矩阵”的概念，对力密度法的编程进行了改进，大大提高了运算速度。通过编制的力密度法找形程序，研究了膜结构经纬向应力比、索膜应力比与初始平衡形状、支座反力之间的关系。 2．对于体形复杂的组合膜结构，本文采用“T单元”的概念解决这种组合膜结构柔性边界的“锯齿”问题。而且，还推导了“T单元”的单元力密度矩阵。通过算例，证明了该法的可行性与程序的正确性。 二、在膜结构与支承结构的整体找形分析方面 1．为了在找形计算中考虑支承结构与膜结构的相互作用，也就是考虑膜结构与支承结构在支承节点处的位移协调的问题，本文推导了基于力密度法的膜结构与弹性索杆支承结构的整体找形的基本方程，编制了整体找形分析程序。通过具体算例，对支承结构分别为拉压杆组合形式、拉索形式以及飞杆形式的膜结构进行了整体找形分析，并与没有采用整体分析的找形结果进行了比较，得出一些规律性的结论。 2．推导了基于力密度法的膜结构与弹性梁柱支承结构的整体找形的基本方程，其中梁单元也采用了有限变形理论，考虑了梁单元的几何非线性效应。给出了非线性方程组的迭代求解公式，编制了膜结构与支承梁柱结构的整体找形分析程序。通过算例分析，考察了整体分析与非整体分析对结构的影响。 3．推导了基于力密度法的膜结构与弹性梁、杆等混合支承结构的整体找形基本方程，其中梁单元也采用了有限变形理论，考虑了梁单元的几何非线性效应。给出了非线

论文目录:

摘要(中文)

摘要(英文)

目录(中文)

目录(英文)

第一章 绪论

1.1 膜结构的发展概况

1.2 膜结构的特点

1.3 膜结构分析中的主要问题

1.3.1 找形分析

1.3.2 荷载分析

1.3.3 裁剪分析

1.3.4 成形分析

1.4 膜结构在我国的研究现状

1.5 膜与支承结构的整体分析问题的提出及研究意义

1.6 膜与支承结构整体分析理论的研究现状

1.7 本文的研究内容

第二章 索网结构的基本问题和基本方程

2.1 索网的基本问题

2.2 基本方程

2.3 索网的初始平衡态分析

2.4 算例

2.5 本章小结

第三章 基于力密度法的索膜结构找形分析

3.1 引言

3.2 力密度法的计算模型分析与基本假定

3.2.1 膜材的力学模型

3.2.2 索膜结构的索网模型与求解索网平衡的力密度法的概念

3.2.3 力密度法的基本假定

3.3 力密度法的索膜结构找形分析

3.3.1 膜曲面的离散化与平衡方程的建立

3.3.2 力密度法找形程序的编制

3.3.3 程序的校核以及两种编程方法计算速度的比较

3.3.4 力密度法找形的算例分析

3.4 组合膜结构找形中柔性边界的处理

3.4.1 带 T单元的力密度法平衡方程

3.4.2 程序的编制

3.4.3 算例分析

3.5 本章小结

第四章 基于力密度法的索膜结构与弹性支承结构的整体找形分析

4.1 引言

4.2 基于力密度法的膜结构与弹性索杆支承结构的整体找形分析

4.2.1 平衡方程的建立

4.2.2 索杆支承的膜结构整体找形程序的编制

4.2.3 算例分析

4.3 基于力密度法的膜结构与弹性梁柱支承结构的整体找形分析

4.3.1 基于梁单元小变形理论的梁与膜整体找形平衡方程

4.3.2 基于梁单元有限变形理论的梁与膜整体找形平衡方程

4.3.3 程序的编制

4.3.4 算例分析

4.4 基于力密度法的膜结构与弹性梁、杆等混合支承结构的整体找形分析

4.4.1 平衡方程的建立

4.4.2 算例分析

4.5 本章小结

第五章 索膜结构的荷载分析

5.1 引言

5.2 荷载分析的基本原理

5.2.1 基本假设

5.2.2 膜的刚度等效

5.2.3 膜结构的荷载种类及荷载组合分析

5.2.4 等效节点荷载

5.2.5 平衡方程的建立与求解

5.2.6 褶皱处理

5.3 程序的编制及校核

5.4 结构参数对膜结构性能的影响分析

5.4.1 荷载作用下节点位移及膜应力的变化分析

5.4.2 膜的初始预应力与边索预张力对结构的影响分析

5.4.3 膜结构的矢跨比对结构的影响分析

5.4.4 膜结构的初应力与矢跨比对结构影响的比较

5.4.5 膜材张拉刚度对结构影响分析

5.4.6 膜结构经纬向应力比对结构的影响分析

5.4.7 结构参数的不同取值对结构的影响分析

5.5 本章小结

第六章 带弹性支承的索膜结构整体荷载分析研究

6.1 引言

6.2 平衡方程的建立与求解

6.3 膜结构与弹性支承体系的整体荷载分析

6.3.1 弹性杆支承的马鞍型膜结构

6.3.2 单柱支承的马鞍型膜结构

6.3.3 支承于钢析架上的组合膜结构

6.4 本章小结

6.4.1 整体分析和非整体分析对结构计算结果的影响

6.4.2 梁单元采用小变形理论与采用有限变形理论进行计算对计算结果的影响

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢

发布时间: 2006-10-17

参考文献

• [1].刚性单层网壳结构找形与稳定研究[D]. 田伟.浙江大学2011

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• [6].张拉索膜结构施工过程模拟分析研究[D]. 李波.北京交通大学2008

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