索穹頂結(jié)構(gòu)成形理論及結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、索穹頂結(jié)構(gòu)是美國(guó)著名結(jié)構(gòu)工程師Geiger根據(jù)Fuller張拉整體思想開發(fā)出來(lái)的一種新型張拉整體結(jié)構(gòu)。由于其結(jié)構(gòu)新穎、傳力效率高以及造價(jià)經(jīng)濟(jì)，該結(jié)構(gòu)一經(jīng)問(wèn)世便得到了工程師們的極大關(guān)注。目前，美國(guó)、韓國(guó)、沙特阿拉伯等國(guó)已相繼建成了跨度較大的索穹頂結(jié)構(gòu)。但在我國(guó)，其工程應(yīng)用至今仍然空白，其間固然同國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有一定的關(guān)系，但更重要的是我們?cè)谒黢讽斀Y(jié)構(gòu)理論研究方面起步比較晚，還有許多關(guān)鍵理論問(wèn)題尚待解決，還未能開發(fā)出專門的分析設(shè)計(jì)軟件。本

2、文將在索穹頂結(jié)構(gòu)有限元模擬、形狀確定、施工模擬、結(jié)構(gòu)性態(tài)及優(yōu)化等方面進(jìn)行深入研究。 首先本文在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)要回顧了索穹頂結(jié)構(gòu)的歷史及工程應(yīng)用，綜述了索穹項(xiàng)張拉整體結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，提出了本文的主要工作和內(nèi)容。有限元是本文的分析理論。由于懸鏈線單元是解析元，不管對(duì)松弛索還是張緊索，長(zhǎng)索還是短索，均可以用一個(gè)單元精確模擬，因此本文采用懸鏈線單元模擬索穹頂結(jié)構(gòu)中的索。針對(duì)懸鏈線單元?jiǎng)偠染仃囆柰ㄟ^(guò)迭代獲得，本文運(yùn)用牛頓法結(jié)合線性

3、搜索和回溯的方法，提出了懸鏈線單元自適應(yīng)剛度迭代方法，可以實(shí)現(xiàn)大范圍收斂，大大拓寬了懸鏈線單元的應(yīng)用范圍。除此之外，采用空間非線性兩節(jié)點(diǎn)直線桿單元模擬索穹頂結(jié)構(gòu)中的壓桿，在此基礎(chǔ)上本文建立了基于懸鏈線單元和桿單元的非線性有限元分析程序，并用算例進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明本文程序有效，精度很高。 索穹頂結(jié)構(gòu)的形狀確定是進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)分析的前提。本文首先在前人基礎(chǔ)上建立不考慮索桿自重，適合索穹頂結(jié)構(gòu)特有結(jié)構(gòu)拓?fù)涞木€性預(yù)張力模態(tài)高效計(jì)算方法，該

4、方法能保證處于相同位置的索桿具有相同的預(yù)張力；在求得預(yù)張力模態(tài)的基礎(chǔ)上，引進(jìn)逆迭代方法，提出了基于懸鏈線單元的逆迭代方法，對(duì)模態(tài)組合法求得的預(yù)張力進(jìn)行修正，得到高精度的預(yù)張力分布和索原長(zhǎng)，可以使求得的預(yù)張力和索原長(zhǎng)在考慮自重作用下，在給定初始幾何位置嚴(yán)格平衡，大大提高了成形精度。而且以此方法求得的索原長(zhǎng)可以直接指導(dǎo)以后的施工控制。 索穹頂結(jié)構(gòu)的成形過(guò)程就是施工過(guò)程，如果施工過(guò)程控制不當(dāng)，最后形成的結(jié)構(gòu)可能完全不同，因此施工控制理

5、論是索穹頂結(jié)構(gòu)成形的關(guān)鍵理論。由于施工條件限制，所有的索不可能同時(shí)張拉，因此就存在如何控制每批索的張拉力問(wèn)題。本文建立了基于索原長(zhǎng)施工張拉數(shù)值模擬方法，可以準(zhǔn)確算出每一批索張拉的控制拉力，理論上可以實(shí)現(xiàn)一次張拉成功，并與文獻(xiàn)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上提出了考慮施工誤差的施工伺服方法，從理論上可以指導(dǎo)施工出現(xiàn)誤差后的調(diào)整方案。最后分析了施工誤差對(duì)成形的影響，理論上給出了施工精度的要求。 為了深入理解索穹頂結(jié)構(gòu)的性態(tài)，本文對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)

6、的參數(shù)(包括溫度、預(yù)應(yīng)力水平、構(gòu)件截面面積以及幾何形體)進(jìn)行了大量的參數(shù)分析，得出了一些有益的結(jié)論。 在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必然會(huì)碰到如何確定索穹頂結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的截面尺寸，預(yù)應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)的幾何形體問(wèn)題，這就涉及到結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。針對(duì)目前索穹頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的研究現(xiàn)狀，本文提出了基于模擬退火優(yōu)化算法的索穹頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，建立了截面尺寸、預(yù)應(yīng)力以及形體的單層次優(yōu)化方法；在此基礎(chǔ)上本文引入了hustin法則，建立了索穹頂結(jié)構(gòu)各參數(shù)聯(lián)合優(yōu)化方法，