索穹頂結構體系性能比較與優(yōu)化設計研究.pdf

1、索穹頂結構是空間結構中一種嶄新的結構形式,是一種結構效率極高的全張力結構體系,其跨度大、結構形式美觀合理。索穹頂結構以其牦材少、施工簡單從而具有更好的經濟性,所以一經問世便得到了工程界的極大關注。在我國大陸尚未有索穹頂結構應用的工程實例,雖然目前對索穹頂結構已有一定的研究,但是還不夠成熟和完善,特別是對不同索穹頂結構體系之間性能的比較更鮮有,因此本文對不同索穹頂結構體系在靜力特性、動力特性、參數(shù)分析和優(yōu)化設計等方面進行了分析與比較。

2、 本文在國內外現(xiàn)有成果的基礎上,首先回顧了索穹頂結構的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀,并總結了索穹頂結構的特點及優(yōu)點,針對索穹頂結構特點,建立了全張力索穹項結構非線性靜力和動力分析的有限元模型?？紤]到索穹頂結構施工過程的高度非線性特性,本文介紹了其有限元平衡方程與增量形式平衡方程,并分析了非線性方程組的解法及優(yōu)缺點,推導了兩節(jié)點直線桿單元剛度矩陣并總結了索單元的常用處理方法。 計算了索穹頂結構在滿跨荷載和半跨荷載這兩種荷載工況作用下的靜力性

3、能,在每種荷載工況下將荷載分級加載,分別提取了不同體系各級荷載作用下的構件內力值和節(jié)點位移值。分析比較了不同體系索穹頂靜力荷載作用下的受力特點。 分析了索穹頂結構僅在自重作用的自振特性,及自振頻率隨預應力水平的變化規(guī)律,并觀察了前幾階振型圖,從而進一步分析了結構的剛度分布。研究了索穹頂結構在地震波作用下節(jié)點位移、速度和加速度的變化情況,并比較了不同索穹頂結構體系中三者的最大值及其發(fā)生的位置。 為了深入理解索穹頂結構的性態(tài)

4、,在靜力特性分析的基礎上,對索穹頂?shù)念A應力水平及其分布、構件截面面積以及矢跨比等參數(shù)進行了分析,詳細闡述了各種參數(shù)不同時對結構性能的影響,得到了一些有益的結論。 在優(yōu)化設計部分,分別以質量、剛度和預應力水平為目標,并采用不同系數(shù)將三者組合成單一目標,把應變、截面面積和矢跨比作為優(yōu)化變量,對索穹頂結構進行了優(yōu)化分析,并對不同優(yōu)化目標下的結果進行了比較。 通過對索穹頂結構分析理論、靜動力特性、參數(shù)及優(yōu)化設計的研究,得到了具有