索撑网壳结构静力性能与施工模拟研究

论文摘要

索撑网壳结构是一种轻型结构体系,适用于自由曲面形态的玻璃采光顶结构,结构通常采用平面四边形或三角形网格单元,每个单元平面内按对角线方向布置交叉预应力索,从而增强结构网格的平面内抗侧移刚度,与结构的刚性杆件共同形成预应力混合结构。由于索撑网壳结构轻盈,通透性好,因此具有广阔的应用前景。索撑网壳结构在欧美等一些发达国家已有一些工程应用,但目前国内对于索撑网壳结构的研究刚处于起步阶段,为了解索撑网壳结构的基本力学特点,基于索撑网壳的精细化建模技术研究,结合CATIA和ANSYS软件开发了接口建模程序,重点针对应用前景较好的单层柱面索撑网壳的静力性能与稳定性能以及在不同预应力张拉施工阶段中结构的稳定性能开展系统化分析,为索撑网壳结构的实际工程应用提供理论基础和技术指导。首先,针对索撑网壳的几何与结构特点,结合通用有限元软件ANSYS与CAE/CAD软件CATIA,结合接口程序开发,运用表面平移法建立了若干个具有一定复杂程度的自由曲面索撑网壳数值模型,掌握了基于CATIA-ANSYS联合建模方法的自由曲面索撑网壳建模技术并开发了接口程序。其次,采用ANSYS软件对柱面索撑网壳开展系统的参数分析。考虑了结构柔性索初始预应力水平,矢跨比,不均匀荷载形式,初始几何缺陷,索中预应力损失等因素的多种变化,重点考察了结构的最大节点位移、杆件内力的响应、结构极限稳定承载力、屈曲模态等结构响应。结果表明:初始预应力水平是保证结构体系成立的重要条件,但过大的预应力将成为结构的负担,导致结构极限承载能力降低;不均匀荷载分布对索撑网壳结构的稳定性能影响较小;索撑网壳结构属于初始缺陷敏感性结构,初始几何缺陷的存在将导致结构极限承载力的显著降低。最后,针对单层柱面索撑网壳结构进行了五种不同方案的预应力张拉施工模拟。在考虑索中预应力损失的情况下,分析了结构在各个施工阶段的变形,荷载位移控制值与索中预应力控制值的变化曲线。分析结果表明:单索一端张拉会使结构产生侧偏,结构变形不对称,不利于位移控制。整体结构单侧向另一侧张拉方案中,结构在前期的极限承载力较低,而整体结构采用从中间向两侧交替张拉方案,则结构的极限承载力较为稳定,结构位移较为规律,利于整体位移与索力的控制,因此建议实际工程中对单层柱面索撑网壳结构采用单索两端同时张拉,整体结构自中间向两侧逐步张拉的施工方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 索撑网壳的结构概念
• 1.1.2 基本力学特点
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 理论研究
• 1.2.2 工程实践
• 1.3 应用前景及研究意义
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 索撑网壳的建模技术与分析方法
• 2.1 引言
• 2.2 结构建模技术
• 2.2.1 数值建模方法
• 2.2.2 建模实例
• 2.3 数值分析方法
• 2.4 典型算例验证
• 2.4.1 模型简介
• 2.4.2 计算结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 柱面索撑网壳基本力学性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 参数分析方案
• 3.3 结构静力性能参数分析
• 3.3.1 索初始预应力水平的影响
• 3.3.2 矢跨比的影响
• 3.4 结构稳定性能分析
• 3.4.1 不均匀荷载的影响
• 3.4.2 初始索预应力水平的影响
• 3.4.3 矢跨比的影响
• 3.4.4 初始缺陷的影响
• 3.4.5 索中预应力损失的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 柱面索撑网壳施工模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 单索的张拉方法选择
• 4.2.1 索一端张拉方案
• 4.2.2 索两端同时张拉方案
• 4.3 结构的张拉顺序选择
• 4.3.1 一侧顺序张拉方案
• 4.3.2 一侧交替张拉方案
• 4.3.3 中间向两侧交替张拉方案
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢