论文题目: 大跨度张弦桁架形态优化及竖向抗震设计方法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 结构工程
作者: 熊伟
导师: 吴敏哲
关键词: 张弦桁架,形态优化,遗传算法,预应力,非线性有限元,竖向地震反应,反应谱法,时程法
文献来源: 西安建筑科技大学
发表年度: 2005
论文摘要: 大跨度张力结构,由于受力合理、刚度大、重量轻、制作安装方便,目前在我国得到了广泛的应用,例如张弦桁架(梁)结构。本文以广州国际会议展览中心的设计资料和预应力张拉施工时的检测数据为背景,分析了目前国内外张弦桁架(梁)的研究资料,总结了张弦桁架中预应力的作用;同时针对张弦桁架的特点,提出了适于张弦桁架的设计方法。将张弦桁架的形状设计(零放样状态)与结构刚度设计分成两步,既简化了张弦桁架形状设计参数,又能较好满足结构荷载态时的形态要求。对目前急需解决的张弦桁架的形态优化及竖向抗震设计方法进行了深入研究。 提出了张弦桁架的形态优化设计方法。首先采用结构离散法,将实际结构分为桁架、拉索、撑杆三部分子结构,每一子结构采用独立的优化模型;为了保证各子结构之间的协调,采用传递矩阵法来传递变形协调参数;由于优化时采用的是形状优化为主,故优化结果的实用性很重要,为了保证优化结果能按预期目标发展及满足实际需要,在优化时引入CAD辅助设计,强化了设计目标的可控性及可预见性;同时建立了张弦桁架的形态优化数学模型,并引入先进的优化算法,如遗传算法等。 建立了桁架子结构优化数学模型,推导了适于张弦桁架的桁架合理拱轴线形,通过对撑杆的研究,提出了多种撑杆设计方法,对桁架及撑杆的影响因素进行了深入分析。建立了张弦桁架拉索内力优化设计方法,推导了拉索工作内力简化计算公式,并对拉索内力影响因素进行了分析。对某实际张弦桁架结构采用形态优化设计方法进行优化设计,与原张弦桁架对比分析,验证了本文提出的优化方法的有效性。采用非线性分析方法研究了预应力与几何大变形的影响,并进行了结构极限承载能力和稳定性研究。 对大跨度张弦桁架的自振频率、振型及影响因素进行了分析。对60米、80米、100米、125米、150米跨度模型采用振形分解反应谱法和时程分析方法进行分析,得到了张弦桁架在小震、大震作用下结构最大动内力系数与动内力分布规律,不同地震波作用下结构响应差别,反应谱法结果与时程法结果差别,跨度对地震响应的影响,挠度变化规律,对拉索是否会松弛的影响等。给出了地震作用下的张
论文目录:
1 绪论
1.1 概述
1.2 张弦梁结构发展历史及应用现状
1.3 张弦桁架研究现状
1.4 本文的研究内容
参考文献
2 张弦桁架形态优化设计
2.1 张弦梁结构受力特点
2.1.1 张弦梁结构受力特点
2.1.2 张弦梁设计方法
2.1.3 张弦桁架计算模型
2.1.4 张弦桁架设计过程
2.1.5 张弦桁架结构受力特点
2.2 传统设计与优化设计
2.3 结构优化设计
2.3.1 工程结构优化设计发展
2.3.2 优化设计基本概念
2.4 张弦桁架多阶段形态优化设计方法
2.4.1 优化目标
2.4.2 优化计算方法步骤
2.4.3 结构离散模型
2.4.4 子结构优化及变形协调控制方法
2.4.5 整体优化控制方法
2.5 小结
参考文献
3 张弦桁架的桁架及撑杆优化设计
3.1 合理拱轴线设计
3.1.1 对称拱合理拱轴线设计
3.1.2 不对称拱合理拱轴线设计
3.1.3 张弦桁架合理拱轴线
3.2 桁架优化设计
3.2.1 优化模型
3.2.2 优化算法及步骤
3.2.3 算例及参数分析
3.3 撑杆优化设计
3.3.1 撑杆设计方法
3.3.2 撑杆布置方式对结构形态参数的影响
3.3.3 撑杆设计时的稳定控制条件
3.4 小结
参考文献
4 拉索内力优化设计及影响因素分析
4.1 拉索内力计算
4.1.1 拉索子结构优化计算模型
4.1.2 拉索子结构优化
4.1.3 拉索内力简化计算
4.2 拉索内力影响因素分析
4.2.1 桁架拱高的影响
4.2.2 桁架弦杆截面大小的影响
4.2.3 支撑的影响
4.2.4 垂度的影响
4.2.5 拉索截面面积的影响
4.3 温度荷载对张弦桁架的影响
4.3.1 温度场作用下的有限元分析
4.3.2 广州会展中心温度应力分析
4.3.3 温度效应小结
4.4 广州国际会展中心张弦桁架形态优化设计及优化结果分析
4.4.1 模型参数
4.4.2 模型形态参数对比
4.4.3 对比分析
4.4.4 原模型与优化模型参数对比
4.5 小结
参考文献
5 张弦桁架非线性稳定分析
5.1 大位移几何非线性分析基本理论
5.1.1 更新的Largrange法(U.L.法)
5.1.2 求解方法
5.2 非线性稳定
5.2.1 屈曲类型
5.2.2 临界状态的确定
5.3 张弦桁架非线性稳定分析
5.3.1 预应力的影响
5.3.2 支作约束条件的影响
5.3.3 张弦桁架施工阶段稳定分析
5.3.4 荷载态稳定分析
5.4 小结
参考文献
6 张弦桁架竖向地震反应分析
6.1 张弦桁架模态分析
6.1.1 模态分析理论
6.1.2 求解方法
6.1.3 张弦桁架动力特性分析力学模型
6.2 地震反应计算方法的选择
6.2.1 振型分解反应谱法
6.2.2 时程分析法
6.3 张弦桁架竖向地震反应分析
6.3.1 常遇地震作用下最大动内力系数
6.3.2 常遇地震作用下动内力分布
6.3.3 常遇地震作用下振型组合分析
6.3.4 罕遇地震作用下最大动内力分布
6.3.5 罕遇地震作用下挠度分析
6.3.6 罕遇地震作用下拉索动力响应分析
6.4 竖向地震作用下张弦桁架参数影响分析
6.4.1 高跨比对动力响应的影响
6.4.2 桁架截面形式与撑杆布置方式的影响
6.4.3 张弦桁架两端不等高支承(斜放)的影响
6.4.4 预应力度的影响
6.5 竖向地震作用下动内力分布
6.5.1 动内力计算简图
6.5.2 实际结构验算
6.6 小结
参考文献
7 张弦桁架竖向抗震设计
7.1 建筑抗震设计规范关于竖向地震作用的规定
7.2 输入地震波
7.2.1 地震波选取
7.2.2 地震波幅值调整
7.2.3 地震波持时长度截取
7.3 等效竖向地震荷载(竖向地震作用标准值)
7.3.1 等效竖向地震荷载的分布
7.3.2 等效竖向地震荷载的大小
7.4 张弦桁架最大动内力系数
7.5 等效竖向地震荷载
7.6 张弦桁架竖向抗震设计
7.6.1 等效竖向地震荷载
7.6.2 张弦桁架截面抗震验算
7.6.3 张弦桁架变形验算
7.6.4 结论
参考文献
8 结论与展望
致谢
攻读学位期间发表的论文
发布时间: 2005-07-19
参考文献
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