双向张弦桁架的力学性能分析

论文摘要

伴随经济实力增长、人民生活水准提高,近年来我国各地大力开展基础设施建设,建成了一批具有国际先进水平的机场、会议展览中心、体育场馆等大跨度、大空间民用公共建筑。为了满足现代建筑美学和建筑使用功能的要求,钢结构以其自重轻、易便于表达建筑造型、施工速度快、工期短等优点被广泛用于大跨度空间结构中,进而推动了我国空间结构设计和施工技术的发展。现在大跨结构中,双向张弦桁架结构形式多为单曲面、双向张拉的桁架式钢结构,上部结构为纵横正交的平面管桁架；下部结构为预应力张拉索通过钢撑杆下端的双向索夹节点,形成双向张拉空间索网,结构形式新颖,双向跨度大,具有技术发展的创新性。以国家体育馆钢屋盖为代表的双向张弦桁架结构形式,具有网壳结构和索网结构的双重性质：网壳结构相对于其他空间结构,其力学合理性与生产经济性都很好地结合到了一起,加工可以标准化、规格化；其轻型化的特征为材料运输、安装施工等带来了极大方便；设计手段方法相对于其他空间结构都已比较成熟,这些都决定了网壳结构相对于其他空间结构应用更多,更广；索网结构属于柔性结构,它是张力结构体系的一个重要组成部分,和传统刚性结构相比,其结构行为有两个显著的特点：一是几何形态和索预应力分布相互影响,力学分析模型的确定需要通过找形实现,这是一个高度几何非线性的过程；二是在结构负荷工作阶段,其力学行为也体现出较高的非线性特性。对于二者的结合可以有效地提高材料的利用性能,为大跨度空间工程结构形式的拓展坚实奠定了基础。首先,在查阅大量国内外相关文献资料的基础上,简单回顾了张弦桁架结构的发展境况、国内外研究现状及其在工程实践中的应用情况；并介绍本文双向张弦桁架结构的课题背景、国内外研究现状及工程应用情况,并明确了本文的主要研究内容。本文运用非线性有限元计算方法,对双向张弦桁架结构静力和动力设计中的若干问题——双向张弦桁架结构的静力性能、模态特征和地震动力特性等进行了研究,获得了一些有价值的结论。对预应力双向张弦桁架结构的非线性分析方法进行了讨论,根据虚功方程推导了非线性有限元基本方程,在此基础上推导了混合梁元、杆元和索元的考虑几何非线性的有限元公式。在此基础上,运用ANSYS软件,通过大量双向张弦桁架计算模型的分析,探讨了各主要设计参数对张弦桁架结构静力性能的影响,获得了一些有价值的结论,根据研究结果,并且提出了较为具体的设计建议。本文研究表明,对于双向张弦桁架结构来说,整个结构的平面内竖向振动和下部索网中局部索的平面外振动及上部桁架网壳中局部杆件的扭转是双向张弦桁架结构自振特性的主要方面。因此既要研究结构的整体变化趋势,又要做好局部杆件的受力机理性分析,保证结构的整体可靠性和具部稳定性分析。文中探讨了各设计参数对结构自振频率和地震反应的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 张弦梁与张弦桁架
• 1.3 双向张弦桁架的特点
• 1.3.1 双向张弦桁架结构中索的功能与作用
• 1.3.2 双向张弦桁架结构的结构特征
• 1.4 双向张弦梁与张弦桁架结构的研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 结构的非线性有限元分析理论
• 2.1 非线性问题有限元基本方程
• 2.1.1 增量形式的平衡方程
• 2.1.2 有限元增量方程
• 2.2 结构非线性有限元法公式
• 2.2.1 索单元的模拟
• 2.2.2 二节点直线空间铰接杆单元的非线性有限元法
• 2.2.3 等截面直线空间梁单元非线性有限元法
• 第三章 双向张弦桁架结构力学性能分析
• 3.1 计算模型的选择
• 3.1.1 双向张弦桁架结构型式的确定
• 3.1.2 双向张弦桁架结构标准计算模型的确定
• 3.1.3 荷载工况的选取
• 3.2 撑杆间距（数目）对结构受力性能的影响
• 3.3 索的垂跨比对结构受力性能的影响
• 3.4 桁架网壳不同曲率对结构受力性能的影响
• 3.5 桁架网壳的不同截面厚度对结构性能的影响
• 3.6 柱面桁架网壳的连续均匀变截面对结构受力性能的影响
• 3.7 预应力的大小H。对结构性能的影响
• 3.8 本章小结
• 第四章 双向张弦桁架结构动力性能分析
• 4.1 自振特性的计算方法
• 4.2 双向张弦桁架结构的自振特性
• 4.2.1 整体模型自振特性分析
• 4.2.2 双向张弦桁架结构自振特性初步分析
• 4.3 主要因素对张弦桁架结构自振特性的影响
• 4.4 双向张弦桁架结构的地震反应分析
• 4.4.1 计算理论概述
• 4.4.2 计算结果及分析
• 4.6 本章主要结论
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文的主要结论
• 5.2 展望——有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录