大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的參數(shù)優(yōu)化研究
【摘要】 弦支穹頂結(jié)構(gòu)曲面通常較為扁平,而相對(duì)于圓形弦支穹頂,橢圓形弦支穹頂?shù)氖芰μ匦愿鼮閺?fù)雜,其穩(wěn)定性問(wèn)題值得關(guān)注。本文以大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為對(duì)象,對(duì)其穩(wěn)定性能進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化研究。采用非線性屈曲分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的參數(shù)影響分析,包括:矢跨比、平面形狀系數(shù)、上部剛性層結(jié)構(gòu)剛度、預(yù)應(yīng)力、撐桿長(zhǎng)度、拉索面積及撐桿面積等。分析結(jié)果表明:矢跨比、平面形狀系數(shù)、上部剛性層結(jié)構(gòu)剛度和撐桿長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
【關(guān)鍵詞】 橢圓形弦支穹頂； 非線性屈曲； 穩(wěn)定性； 參數(shù)分析；
摘要
弦支穹頂(suspend-dome)是一種新型復(fù)合空間結(jié)構(gòu)體系。它運(yùn)用整體張拉思想，將單層網(wǎng)殼和預(yù)應(yīng)力拉索巧妙地結(jié)合起來(lái)。對(duì)此類結(jié)構(gòu)以往的研究多限于中、小跨度。本文以一大跨弦支穹頂結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用通用有限元分析軟件ANSYS，分析大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)的靜力特性。主要進(jìn)行了以下三個(gè)方面的工作:
1. 采用ansys有限元軟件分別對(duì)相同跨度、不同矢跨比做桿件靜內(nèi)力（位移）分析，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，通過(guò)比較不同矢跨比的桿件靜力性能，得出最佳跨度。同時(shí)為了便于構(gòu)件內(nèi)力和（節(jié)點(diǎn)位移）進(jìn)行比較，需對(duì)桿件進(jìn)行編號(hào)。內(nèi)力對(duì)比的話，可以進(jìn)行以下幾種桿件的對(duì)比，環(huán)向和徑向桿件，豎向撐桿等2.考慮初始缺陷的非線性分析
由于實(shí)際結(jié)構(gòu)不可避免的存在初始缺陷，且結(jié)構(gòu)平衡位置也在變化，故線性分析不能正確的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力性能，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性分析，此處非線性分析只考慮幾何非線性，不考慮材料非線性。
活荷載分布形式分為以下三種：活荷載沿全跨分布，活荷載沿短軸，活荷載沿長(zhǎng)軸。取前15階到20階模態(tài)，進(jìn)行非線性分析。上面3個(gè)矢跨比的都要算。引入初始缺陷 1/300 ,1/400一直到1/1200。穩(wěn)定承載力系數(shù)。畫(huà)出曲線。分析同一初始缺陷情況下，不同矢跨比桿件的穩(wěn)定情況，也就是弦支穹頂結(jié)構(gòu)的屈曲荷載大小。
得出結(jié)論，相比于線性屈曲分析，非線性屈曲分析能夠正確的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有較強(qiáng)的工程借鑒意義。在考慮初始幾何缺陷情況下，弦支穹頂屈曲荷載降低，矢跨比越大，影響越小。
3.施工模擬仿真分析
（1）在進(jìn)行問(wèn)題的分析之前，首先按弦支穹頂結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工與計(jì)算過(guò)程給出以下幾個(gè)狀態(tài)的基本定義
a) 零狀態(tài)：上部網(wǎng)殼（或部分網(wǎng)殼）和下部索桿安裝就位但沒(méi)有進(jìn)行張拉時(shí)的狀態(tài)；在數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)數(shù)值模型建立完畢，而未進(jìn)行計(jì)算的狀態(tài)；
b) 初始態(tài)：下部結(jié)構(gòu)張拉完畢后，體系在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的平衡狀態(tài)；在數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)數(shù)值模型在考慮自重的情況下計(jì)算完畢的狀態(tài)；
c) 荷載態(tài)：體系在初始態(tài)的基礎(chǔ)上，承受其他外荷載時(shí)的受力狀態(tài)；在數(shù)值模擬中對(duì)應(yīng)為數(shù)值模型在考慮外荷載的情況下計(jì)算完畢后的狀態(tài)。
仿真分析主要包括四部分，上部鋼桁架、下部預(yù)應(yīng)力索桿、底部支撐結(jié)構(gòu)，臨時(shí)支撐胎架。
（2）ansys單元選擇。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點(diǎn)，上部鋼桁架結(jié)構(gòu)采用link8 單元進(jìn)行模擬，承受單軸的拉壓，具有應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和單元生、死功能，符合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、滿足施工仿真要求，拉索采用link10 單元進(jìn)行模擬，link10 單元采用雙線性剛度矩陣，不包括彎曲剛度，具有應(yīng)力剛化、大變形功能和單元生、死功能，可以有效的模擬預(yù)應(yīng)力施工中的拉索構(gòu)件，底部支撐結(jié)構(gòu)則采用beam4 單元進(jìn)行模擬，Beam4 是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元，具有應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和單元生、死功能，符合實(shí)際情況，滿足模擬需要，臨時(shí)支撐胎架也采用link10 單元，打開(kāi)只受壓不受拉特性來(lái)模擬臨時(shí)支撐胎架的效果。
（3）建模進(jìn)行分析。
做預(yù)應(yīng)力索的張拉模擬3種預(yù)應(yīng)力方案的模擬仿真a)方案一：預(yù)緊一100％設(shè)計(jì)索力(一階段張拉)；
b)方案二：預(yù)緊一50％設(shè)計(jì)索力～100％設(shè)計(jì)索力(兩階段張拉)；
C)方案三：預(yù)緊--50％設(shè)計(jì)索力--90％設(shè)計(jì)索力--100％設(shè)計(jì)索力(三階段張拉)。
本文的研究成果不僅可為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供參考，而且可為完善相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供理論依據(jù)。
Abstract
Suspend-dome is a new type of composite space structure system, which is composed of single-layer spherical reticulated shell and prestressed cables. In the past, the research of this kind of structure is limited to medium and small span. In the paper, static characteristics of large-span suspend-dome structure are analyzed by means of the universal finite element software ANSYS. The contents of the research are as follows:
目錄
摘要 1
Abstract 2
第1章 緒論 4
1.1弦支穹頂結(jié)構(gòu)的概念和研究背景 4
1.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)的分類和特點(diǎn) 4
1.3弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用 5
1.3.1國(guó)外發(fā)展和應(yīng)用 5
1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用 5
1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題 5
1.5本文的主要研究工作 5
1.6研究目的及意義 6
第1章 緒論
1.1弦支穹頂結(jié)構(gòu)的概念和研究背景
弦支穹頂是一種將剛性的單層網(wǎng)殼和柔性索桿體系組合在一起的新型雜交預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系。 典型的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系由上部單層網(wǎng)殼、下部的豎向撐桿、徑向拉桿或者拉索和環(huán)向拉索組成，其中各環(huán)撐桿的上端與單層網(wǎng)殼對(duì)應(yīng)的各環(huán)節(jié)點(diǎn)鉸接，撐桿下端由徑向拉索與單層網(wǎng)殼的下一環(huán)節(jié)點(diǎn)連接，同一環(huán)的撐桿下端由環(huán)向拉索連接在一起，使整個(gè)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)完整的體系，結(jié)構(gòu)的傳力路徑也比較明確。在正常使用荷載作用下，內(nèi)力通過(guò)上端的單層網(wǎng)殼傳到下端的撐桿上，再通過(guò)撐桿傳給索，索受力后，產(chǎn)生對(duì)支座的反向推力，使整個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)下端約束環(huán)梁的橫向推力大大減小。與此同時(shí)，由于撐桿的作用，大大減小了上部單層網(wǎng)殼各環(huán)節(jié)點(diǎn)的豎向位移和變形。
1.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)的分類和特點(diǎn)
弦支穹頂體系作為剛?cè)峤Y(jié)合的新型復(fù)合空間預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，與單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及索穹頂結(jié)構(gòu)相比，具有如下特點(diǎn)：
1.從設(shè)計(jì)角度看，弦支穹頂結(jié)構(gòu)受力合理，效能較高；
2.從施工角度看，施工過(guò)程得以簡(jiǎn)化，對(duì)支座環(huán)梁要求降低。
1.3弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用
1.3.1國(guó)外發(fā)展和應(yīng)用
因其高效的結(jié)構(gòu)效能和優(yōu)美的建筑效果，20世紀(jì)90年代，弦支穹頂概念一經(jīng)提出，就得以在工程中應(yīng)用。日本東京于 1994 年3 月建成世界上第一個(gè)弦支穹頂結(jié)構(gòu)，光丘穹頂。 繼光丘穹頂之后， 1997 年 3 月在日本長(zhǎng)野又建成第二座弦支穹頂，聚會(huì)穹頂。
1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用
當(dāng)代中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)新體系層出不窮，出現(xiàn)了弦支穹頂、索膜結(jié)構(gòu)、張弦梁、弦支筒殼等一批新型空間結(jié)構(gòu)體系。
自1993年日本法政大學(xué)川口衛(wèi)教授提出弦支穹頂概念以來(lái)，弦支穹頂結(jié)構(gòu)已在國(guó)內(nèi)外10余項(xiàng)大型工程中得到了應(yīng)用，如天津博物館、2008北京奧運(yùn)會(huì)羽毛球館、安徽大學(xué)體育館等。2009 全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)的機(jī)遇下，弦支穹頂結(jié)構(gòu)成為新結(jié)構(gòu)體系中的一顆明星。
在弦支穹頂結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，國(guó)內(nèi)學(xué)者就遇到的問(wèn)題組織了多次專家論證和討論會(huì)，在弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)選取、張拉施工模型試驗(yàn)研究等方面積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。
1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問(wèn)題
國(guó)內(nèi)外對(duì)于弦支穹頂?shù)姆治鼍抻谀骋环矫�，沒(méi)有綜合從非線性、靜力特性以及模擬仿真的角度來(lái)進(jìn)行分析。尤其是對(duì)于不同矢跨比的有限元分析較為欠缺。
1.5本文的主要研究工作
本文將對(duì)弦支穹頂進(jìn)行非線性分析，進(jìn)而分析在考慮初始缺陷情況的非線性分析。本文還將對(duì)其靜力特性進(jìn)行分析，最終將應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真施工模擬。
1.6研究目的及意義
本文試圖通過(guò)對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析其非線性特征及靜力特征，并對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，本文將找出其合適的參數(shù)系統(tǒng)。本文將對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和提高提供有價(jià)值的參考
參考資料：
- [1] 張愛(ài)林,劉學(xué)春,葛家琪,張寶勤,張曉峰. 2008年奧運(yùn)會(huì)羽毛球館預(yù)應(yīng)力張弦穹頂結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析[J]. 工業(yè)建筑. 2007(01)
- [2] 張明山,董石麟,張志宏. 弦支穹頂初始預(yù)應(yīng)力分布的確定及穩(wěn)定性分析[J]. 空間結(jié)構(gòu). 2004(02)
- [3] 陳志華. 弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系及其結(jié)構(gòu)特性分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu). 2004(05)
- [4] 崔曉強(qiáng),郭彥林. Kiewitt型弦支穹頂結(jié)構(gòu)的彈性極限承載力研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào). 2003(01)
本文編號(hào)：8857
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