網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于大跨度空間建筑,如何設(shè)計(jì)得到自重輕、力學(xué)性能良好的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)一直是空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的熱點(diǎn)問題,這需要考慮強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等約束,對結(jié)構(gòu)布置、桿件截面、幾何形狀等開展優(yōu)化研究。已有的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化研究中,考慮的約束類型以桿件應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移為主,對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的考慮較少;而在網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化研究中,也常忽略荷載的設(shè)計(jì)相關(guān)特性。針對以上問題,本文選取網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)多約束下的截面優(yōu)化及考慮設(shè)計(jì)相關(guān)荷載的形狀優(yōu)化作為研究方向,主要創(chuàng)新點(diǎn)及工作如下:(1)推導(dǎo)了設(shè)計(jì)相關(guān)荷載作用下結(jié)構(gòu)體積、節(jié)點(diǎn)位移、桿件應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)變能、結(jié)構(gòu)特征值屈曲因子對設(shè)計(jì)變量的一階微分的表達(dá)式(靈敏度分析),探討了若干類型的設(shè)計(jì)相關(guān)荷載作用下,靈敏度表達(dá)式中荷載向量微分的計(jì)算。(2)針對桿件應(yīng)力、桿件穩(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)位移、結(jié)構(gòu)特征值屈曲因子等多種類型約束下的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化問題,提出了兩種求解方法:1采用MMA同時(shí)處理所有約束的方法;2分別處理局部約束和全局約束的兩級優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。通過案例分析驗(yàn)證了兩種求解方法的正確性及求解效率。(3)針對設(shè)計(jì)相關(guān)荷載作用下的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題,基于高度調(diào)整法,提出了考慮設(shè)計(jì)相關(guān)荷載的形狀優(yōu)化方法,并對設(shè)計(jì)相關(guān)荷載作用下的靈敏度組成部分展開了討論。研究結(jié)果顯示在形狀優(yōu)化過程中僅考慮剛度項(xiàng)(忽略荷載項(xiàng))會導(dǎo)致靈敏度計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確,可能影響優(yōu)化結(jié)果。案例分析表明采用本文所提的考慮設(shè)計(jì)相關(guān)荷載的形狀優(yōu)化算法能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及極限承載力。(4)針對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形狀與截面的組合優(yōu)化問題,結(jié)合多約束下的截面優(yōu)化方法及考慮設(shè)計(jì)相關(guān)荷載的形狀優(yōu)化方法對形狀和截面兩類變量交替開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。案例分析表明采用本文提出的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形狀與截面組合優(yōu)化方法,可充分考慮兩類設(shè)計(jì)變量之間的耦合關(guān)系,能夠優(yōu)化得到較優(yōu)的幾何形狀與桿件截面,在使結(jié)構(gòu)體積盡可能小的同時(shí),使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度盡可能大。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU399
【部分圖文】：

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是將桿件沿著某個(gè)曲面有規(guī)律地布置而組成的空間結(jié)構(gòu)體系。荷載作用下，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)以薄膜作用為主要的受力特征，結(jié)構(gòu)內(nèi)力以軸力為主[1]。憑借自重輕、結(jié)構(gòu)剛度好等特點(diǎn)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)能跨越較大空間。同時(shí)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置的靈活性可以輕易營造出新穎的曲面造型，因此網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是建筑師與結(jié)構(gòu)師樂于采用的一種結(jié)構(gòu)形式，被廣泛應(yīng)用于體育場館、航站樓、會議廳等公共建筑，見圖 1-1。(a) 大英博物館[2](b) 米蘭游樂場[3]

43（c）屋面板單元圖 3-9 凱威特網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)布置及屋面板單元示意圖表 3-3 凱威特網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)量a)材料密度ρ(kg/m3)桿件壁厚t(m)桿件外徑下限D(zhuǎn)min(m)材料σma057850 0.003 0.07 和 MMA 優(yōu)化算法求解本例得到的結(jié)果見表 3-4 及

初始結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)高度為 15.00m。六點(diǎn)支承網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)平面及屋面板單元見圖4-11。約束底層 6 個(gè)節(jié)點(diǎn)的平動自由度。考慮結(jié)構(gòu)自重荷載、屋面恒荷載和屋面活荷載。材料信息、桿件截面及荷載作用等設(shè)計(jì)參數(shù)見表 4-4。本例選取除支座外的所有節(jié)點(diǎn)的 z 坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量，允許節(jié)點(diǎn)在 z 方向移動。除支座節(jié)點(diǎn)外，共有 121 個(gè)自由節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)變量數(shù)目為 121。本例考慮的荷載作用包括屋面恒荷載、屋面活荷載、結(jié)構(gòu)自重。與 4.3 節(jié)相同，屋面恒荷載及結(jié)構(gòu)自重是設(shè)計(jì)相關(guān)荷載。當(dāng)僅選取節(jié)點(diǎn)的 z 坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量時(shí)，結(jié)構(gòu)自重荷載、屋面恒荷載的大小也會隨 z 坐標(biāo)的改變而發(fā)生變化，因此每一迭代步完成，下一迭代步開始前，需先根據(jù)當(dāng)前的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)重新計(jì)算荷載向量。除此之外，計(jì)算靈敏度時(shí)
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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3 李榮;角錐體系雙層柱面網(wǎng)殼形狀優(yōu)化及穩(wěn)定性分析[D];山東建筑大學(xué);2014年

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本文編號：2854177