又向張弦梁結(jié)構(gòu)的形態(tài)優(yōu)化及靜動(dòng)力特性研究.pdf

1、雙向張弦梁結(jié)構(gòu)是由雙向上弦剛性梁、雙向下弦拉索和撐桿構(gòu)成的一類結(jié)構(gòu)效率較高的空間預(yù)應(yīng)力雜交結(jié)構(gòu)體系。它具有內(nèi)力自平衡且便于內(nèi)力分布和剛度的調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)形式豐富多樣、施工便利、用材經(jīng)濟(jì)，在各類公共建筑中有著日益廣泛的應(yīng)用和廣闊的發(fā)展空間。國(guó)內(nèi)對(duì)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的研究尚處在起步階段，落后于實(shí)際工程的應(yīng)用，因此有必要對(duì)其展開進(jìn)一步的深入研究。本文以某購(gòu)物中心雙向張弦梁屋蓋為背景，對(duì)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)體系的形狀優(yōu)化、靜動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等諸多

2、方面進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究。
　　本文首先從實(shí)際工程設(shè)計(jì)角度，分別按上部剛性梁體系、下部索桿體系以及結(jié)構(gòu)加載方案的不同對(duì)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了分類；詳細(xì)闡述了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分析和靜力分析的解析計(jì)算方法與有限元計(jì)算方法，并對(duì)有限元結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件單元的模擬方法和拉索預(yù)應(yīng)力的引入進(jìn)行了介紹。
　　基于由平衡荷載對(duì)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)下弦拉索進(jìn)行找形的思想，分別進(jìn)行了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)索形優(yōu)化的數(shù)學(xué)解析方法和有限元數(shù)值方法的推導(dǎo)

3、，并將優(yōu)化得到的索網(wǎng)形狀與以往常用的拋物面、圓弧面、懸鏈面等進(jìn)行了對(duì)比分析，提出了雙向張弦梁的一個(gè)關(guān)鍵荷載態(tài)--“平衡荷載態(tài)”的概念，明確給出了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)平衡荷載的確定方法。
　　鑒于雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的剛度較弱、構(gòu)件復(fù)雜的特點(diǎn)，利用大型通用有限元軟件ANSYS的APDL，參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言編制了參數(shù)化用戶設(shè)計(jì)程序，利用非線性有限元方法，基于改進(jìn)的逆迭代法，實(shí)現(xiàn)了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化找形以及結(jié)構(gòu)零狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力與幾何的聯(lián)合找形。

4、r>　　采用零階與一階相結(jié)合的優(yōu)化算法，以結(jié)構(gòu)自重最小為優(yōu)化目標(biāo)，提出了一種包括了結(jié)構(gòu)形狀、拉索預(yù)應(yīng)力和各桿件截面尺寸等不同性質(zhì)參數(shù)的兩步三級(jí)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。第一步進(jìn)行雙向張弦梁結(jié)構(gòu)上弦梁系和下弦索網(wǎng)的形狀優(yōu)化以及初始預(yù)應(yīng)力分布的優(yōu)化，第二步進(jìn)行構(gòu)件截面尺寸的優(yōu)化。其中第二步優(yōu)化分三級(jí)進(jìn)行：第一級(jí)索截面的優(yōu)化；第二級(jí)上弦梁截面的優(yōu)化；第三級(jí)撐桿等次要構(gòu)件截面的優(yōu)化。利用這種優(yōu)化方法，討論了結(jié)構(gòu)高跨比、垂跨比、間跨比、兩向間距

5、比、長(zhǎng)寬比以及平衡荷載值等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果的影響，為雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了富有價(jià)值的參考結(jié)論。
　　完成了一個(gè)平面尺寸為6.0m×4.8m并經(jīng)過索網(wǎng)形狀優(yōu)化后的雙向張弦梁結(jié)構(gòu)整體模型試驗(yàn)。通過試驗(yàn)?zāi)M了結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉施工成形的全過程，對(duì)張拉順序、結(jié)構(gòu)靜力性能進(jìn)行了考察，給出了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的施工建議；通過動(dòng)力特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析的可靠性和雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的振型特點(diǎn)；通過使用階段靜力荷載試驗(yàn)，深入探討了雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特

6、點(diǎn)和變形特征。
　　本文對(duì)簡(jiǎn)化后的某購(gòu)物中心雙向張弦梁屋蓋進(jìn)行了彈塑性承載力全過程分析。對(duì)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制、失效機(jī)制進(jìn)行了研究，對(duì)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的重要性進(jìn)行了探討和評(píng)價(jià)。分析了初始缺陷、荷載非對(duì)稱性、支座形式、撐桿高度、預(yù)應(yīng)力大小等參數(shù)對(duì)雙向張弦梁結(jié)構(gòu)極限承載力的影響特點(diǎn)和規(guī)律。
　　對(duì)考慮了上弦梁桿件損傷或下弦索破斷等各種失效情況的雙向張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了關(guān)鍵構(gòu)件失效分析，跟蹤了構(gòu)件失效后結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展過程和極限荷載因子，