【摘要】：縱觀建筑歷史,人類對更大跨度建筑的追求從未停止。特別是最近幾個世紀,伴隨著高性能材料的應用,建筑物的跨度記錄在不斷被刷新。但隨著建筑結構跨度的逐漸增長,僅僅依靠增大構件截面,提高材料強度,已經(jīng)不能很好地滿足建筑結構安全性和經(jīng)濟性的要求,必須從結構形式上尋求突破。為實現(xiàn)建筑結構千米級的超大跨度,將超大跨度懸索橋與巨型網(wǎng)格結構結合起來,形成了新的結構體系——懸掛巨型網(wǎng)格結構,其受力性能和經(jīng)濟性能值得進一步探究。本課題借助ANSYS有限元分析軟件,建立了1000m跨度五種懸掛巨型網(wǎng)格結構的整體參數(shù)化模型,并對各結構進行了初始形態(tài)分析,較為精確地獲得了結構初始形態(tài)和懸索內部預應力;在此基礎上分析了其在各種荷載工況下的靜力性能和穩(wěn)定性能;對索塔結構部分進行了精細化建模與分析,完善了整體模型;針對懸掛巨型網(wǎng)格結構的幾何控制參數(shù)進行了優(yōu)化分析;考查了極端情況下,單根吊索斷裂后結構的受力性能。主要研究內容有以下幾部分:分析肋環(huán)型、兩種施威德勒型、凱威特型和三向網(wǎng)格型巨型網(wǎng)格結構的幾何拓撲關系,設計了與之對應的懸索布置方案,編制了五種懸掛巨型網(wǎng)格結構自動化、參數(shù)化建模程序,并通過對懸掛巨型網(wǎng)格結構進行初始形態(tài)分析,獲得了上部懸索結構的初始形態(tài)和初始內部預應力,為進一步分析提供了條件。分析了各結構在12種荷載工況下的靜力受力性能,獲得了該類結構的控制荷載工況;研究了荷載不對稱分布對該類結構受力性能的影響;通過對結構進行荷載-位移全過程分析,考查了該類結構的穩(wěn)定性能。對索塔進行精細化建模,并通過對塔柱傾斜程度、橫梁布置數(shù)量及位置和塔柱橫梁剛度比等重要參數(shù)進行參數(shù)分析,對索塔形式進行了優(yōu)化分析。設計出一種經(jīng)濟適用的索塔形式,對比分析了索塔模型細化前后懸掛巨型網(wǎng)格結構的受力性能。針對懸掛巨型網(wǎng)格結構的幾何控制參數(shù),如下部巨型網(wǎng)格結構的矢跨比和分割數(shù)、立體桁架的高跨比等,分析得到了結構的靜力性能隨之變化的規(guī)律,總結得出了懸掛巨型網(wǎng)格結構設計參數(shù)的合理取值范圍。對比了不同跨度下各種結構形式的靜力性能和經(jīng)濟性能,提出了各種結構形式的適用跨度范圍。利用靜態(tài)和瞬態(tài)分析方法,對比分析了極端情況下單根吊索斷裂后,該類結構的整體受力性能。
【圖文】：

讓建筑物實現(xiàn)更高高度、更大跨度有了可能。1957 年，為舉辦 1960 年奧運會而興建的羅馬小體育宮（圖 1-1a）是一座鋼筋混凝土建筑，設計師奈爾維成功地將薄殼穹頂和“Y”型支撐結合在一起，跨越了 60m 的距離；日本福岡體育館（圖 1-1b），其可開合屋蓋采用的是雙層網(wǎng)殼結構，實現(xiàn)了美觀和功能的統(tǒng)一。近二十年來，空間鋼結構憑借其輕盈多變的外形，備受建筑師和結構工程師的青睞。千年穹頂（圖 1-1c）用 12 根近百米高的鋼桅桿，通過拉索將下部的膜結構屋蓋拉起，造型獨特別致；1996 年奧運會主會場亞特蘭大體育場（圖 1-1d），采用改良的索穹頂體系，堪稱經(jīng)典；南京奧體中心體育場（圖 1-1e）和新溫布利足球場（圖 1-1f）不約而同地利用鋼拱架將下部屋蓋結構懸吊起來，實現(xiàn)了建筑 300m 的跨度[1]。a) 羅馬小體育宮 b) 福岡體育館 c) 千年穹頂

能源環(huán)境問題越來越受到人們的重視，，適合人類居住、能夠抵惡劣環(huán)境、低碳環(huán)保綠色的小型城市穹頂進入了建筑師和結構工程師的視野，始走上歷史舞臺。目前，已經(jīng)有一些國外學者從城市穹頂這一概念出發(fā)，提出一些設計創(chuàng)意[5]，如圖 1-2 所示。1968 年，美國工程師 Fuller 提出可以在紐約曼頓街區(qū)上空建造超大跨度短程線型穹頂，跨度達到 3200m，借此改善當?shù)氐臍夂蚪鉀Q當?shù)氐沫h(huán)境問題；1971 年，德國工程師 Frei Otto 提出可以在北極建設跨2000m 的充氣穹頂，用以北極科考。此外還有一些著名的城市穹頂設想，這些想為建設超大跨空間結構提供了可能，但距離實現(xiàn)這一目標還有很長的路要走。a) 曼哈頓穹頂 b) 北極充氣穹頂
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU351

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本文編號：2601967