拉索预应力柱面巨型网格结构的静力与稳定性研究

论文摘要

拉索预应力柱面巨型网格结构实现了现代预应力技术与柱面巨型网格结构的有机结合,可以比普通柱面网壳结构更经济,更合理地跨越更大的空间。这类新型预应力结构体系通过在结构内合理布置预应力张拉索,对结构施与预应力,改善结构受力状态,降低结构内力峰值,减少支座水平推力,增大结构刚度,提高结构承载力,从而在实现巨型网格结构向更大跨越度发展的同时保证结构具有良好的受力性能,预应力的合理引入使结构内杆件内力分布更加均匀,结构材料强度得到充分发挥,耗钢量降低,经济效能亦增强。基于以上诸多优点,拉索预应力柱面巨型网格结构必将在今后的工程实践中得到广泛应用。目前,针对预应力球面网壳结构的布索方案研究、受力特性分析及结构优化设计,很多文献都有涉及,而对于柱面网壳结构,尤其是针对超大跨度柱面巨型网格结构的预应力方案研究及受力特性分析则很少。因此,本文着重从以下几个方面对这一类新型结构进行了相关研究:针对构成柱面巨型网格结构的主要受力构件—折线形立体桁架拱提出了四种布索方案,并通过大量参数分析,比较了四种布索方案下结构的静力及稳定性能,最终则出最优布索方案进行整体空间结构的相关研究。将针对立体桁架拱的最优预应力方案引入整个柱面巨型网格结构中,并在此基础上比较了平面及空间交叉布索两种方式下结构的静力性能,择出了适用于柱面巨型网格结构的最优布索方式。对布索与未布索柱面巨型网格结构屈曲模态进行了对比,并从大规模的影响参数分析出发,分析了这些参数的变化对结构静力及稳定性能的影响。着重针对预应力大小及预应力在结构内的分布对结构受力性能的影响规律作了详细讨论,并根据不同跨度不同矢跨比情况下的柱面巨型网格结构的最佳预应力值及最佳预应力分布比例进行了大规模试算,总结了几类常用几何尺寸的柱面巨型网格结构的最优预应力及最佳分布比例。在对结构进行大规模几何参数分析的基础上,进一步研究了不对称荷载及初始几何缺陷对拉索预应力柱面巨型网格结构稳定性能的影响,找出结构可接受的最大缺陷值,为实际工程提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 预应力空间网格的发展和工程上的应用
• 1.2 柱面巨型网格结构的提出及研究概况
• 1.3 网壳结构稳定性研究概论
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 拉索预应力柱面巨型网格结构的计算模型及其基本原理
• 2.1 拉索预应力柱面巨型网格结构的计算模型
• 2.2 结构的基本稳定理论
• 2.3 几何非线性有限元基本理论
• 2.4 非线性求解方法及收敛准则简介
• 2.4.1 求解方法
• 2.4.2 收敛准则
• 2.5 拉索预应力柱面巨型网格结构基于 ANSYS 的有限元分析法
• 2.5.1 LINK8 单元特性
• 2.5.2 LINK10 单元特性
• 2.5.3 平衡路径的跟踪
• 2.6 算例分析
• 2.6.1 平面桁架
• 2.6.2 K6 型（凯威特型）网壳
• 2.7 小结
• 第3章 拉索预应力折线型立体桁架拱布索方案研究
• 3.1 立体桁架拱布索分析
• 3.1.1 布索思路
• 3.1.2 布索方案
• 3.2 静力及稳定性分析
• 3.2.1 静力性能分析与对比
• 3.2.2 四种方案下桁架拱的静力稳定性分析
• 3.3 小结
• 第4章 拉索预应力柱面巨型网格结构静力性能分析
• 4.1 两种拉索布置方式的比较
• 4.1.1 布索方案说明
• 4.1.2 静力性能分析与对比
• 4.2 拉索预应力柱面巨型网格结构静力性能的参数分析
• 4.2.1 结构拱向矢跨比的影响
• 4.2.2 桁架梁高度的影响
• 4.2.3 主体结构杆件截面面积的影响
• 4.2.4 预应力大小及其分布的影响
• 4.3 小结
• 第5章 拉索预应力柱面巨型网格结构静力稳定性分析
• 5.1 屈曲模态
• 5.2 对极限荷载的参数分析
• 5.2.1 参数分析方案
• 5.2.2 稳定极限承载力分析
• 5.3 半跨荷载作用下结构的稳定性分析
• 5.4 考虑初始缺陷时的结构稳定性分析
• 5.5 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录