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,而相對于圓形弦支穹頂,橢圓形弦支穹頂?shù)氖芰μ匦愿鼮閺碗s,其穩(wěn)定性問題值得關(guān)注。本文以大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為對象,對其穩(wěn)定性能進行了參數(shù)優(yōu)化研究。采用非線性屈曲分析方法對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了系統(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、預應(yīng)力、撐桿長度、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)剛度和撐桿長度對結(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)是一種新型復合空間結(jié)構(gòu)體系。它運用整體張拉思想，將單層網(wǎng)殼和預應(yīng)力拉索巧妙地結(jié)合起來。對此類結(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。主要進行了以下三個方面的工作:
1. 采用ansys有限元軟件分別對相同跨度、不同矢跨比做桿件靜內(nèi)力（位移）分析，進行數(shù)據(jù)對比，通過比較不同矢跨比的桿件靜力性能，得出最佳跨度。同時為了便于構(gòu)件內(nèi)力和（節(jié)點位移）進行比較，需對桿件進行編號。內(nèi)力對比的話，可以進行以下幾種桿件的對比，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)的實際受力性能，必須進行結(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，活荷載沿長軸。取前15階到20階模態(tài)，進行非線性分析。上面3個矢跨比的都要算。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）在進行問題的分析之前，首先按弦支穹頂結(jié)構(gòu)的實際施工與計算過程給出以下幾個狀態(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有進行張拉時的狀態(tài)；在數(shù)值模擬中對應(yīng)數(shù)值模型建立完畢，而未進行計算的狀態(tài)；
b) 初始態(tài)：下部結(jié)構(gòu)張拉完畢后，體系在自重和預應(yīng)力作用下的平衡狀態(tài)；在數(shù)值模擬中對應(yīng)數(shù)值模型在考慮自重的情況下計算完畢的狀態(tài)；
c) 荷載態(tài)：體系在初始態(tài)的基礎(chǔ)上，承受其他外荷載時的受力狀態(tài)；在數(shù)值模擬中對應(yīng)為數(shù)值模型在考慮外荷載的情況下計算完畢后的狀態(tài)。
仿真分析主要包括四部分，上部鋼桁架、下部預應(yīng)力索桿、底部支撐結(jié)構(gòu)，臨時支撐胎架。
（2）ansys單元選擇。根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力特點，上部鋼桁架結(jié)構(gòu)采用link8 單元進行模擬，承受單軸的拉壓，具有應(yīng)力強化、大變形和單元生、死功能，符合結(jié)構(gòu)受力特點、滿足施工仿真要求，拉索采用link10 單元進行模擬，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)力強化，大變形和單元生、死功能，符合實際情況，滿足模擬需要，臨時支撐胎架也采用link10 單元，打開只受壓不受拉特性來模擬臨時支撐胎架的效果。
（3）建模進行分析。
做預應(yīng)力索的張拉模擬3種預應(yīng)力方案的模擬仿真a)方案一：預緊一100％設(shè)計索力(一階段張拉)；
b)方案二：預緊一50％設(shè)計索力～100％設(shè)計索力(兩階段張拉)；
C)方案三：預緊--50％設(shè)計索力--90％設(shè)計索力--100％設(shè)計索力(三階段張拉)。
本文的研究成果不僅可為實際工程設(shè)計提供參考，而且可為完善相關(guān)的技術(shù)標準提供理論依據(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 4
1.3弦支穹頂結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用 5
1.3.1國外發(fā)展和應(yīng)用 5
1.3.2國內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用 5
1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題 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應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系�！〉湫偷南抑я讽斀Y(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)殼對應(yīng)的各環(huán)節(jié)點鉸接，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，使整個結(jié)構(gòu)形成一個完整的體系，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)力通過上端的單層網(wǎng)殼傳到下端的撐桿上，再通過撐桿傳給索，索受力后，產(chǎn)生對支座的反向推力，使整個結(jié)構(gòu)對下端約束環(huán)梁的橫向推力大大減小。與此同時，由于撐桿的作用，大大減小了上部單層網(wǎng)殼各環(huán)節(jié)點的豎向位移和變形。
1.2弦支穹頂結(jié)構(gòu)的分類和特點
弦支穹頂體系作為剛?cè)峤Y(jié)合的新型復合空間預應(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：
1.從設(shè)計角度看，弦支穹頂結(jié)構(gòu)受力合理，效能較高；
2.從施工角度看，施工過程得以簡化，對支座環(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 月在日本長野又建成第二座弦支穹頂，聚會穹頂。
1.3.2國內(nèi)發(fā)展和應(yīng)用
當代中國經(jīng)濟飛速發(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年日本法政大學川口衛(wèi)教授提出弦支穹頂概念以來，弦支穹頂結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)外10余項大型工程中得到了應(yīng)用，如天津博物館、2008北京奧運會羽毛球館、安徽大學體育館等。2009 全國運動會的機遇下，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、施工過程中，國內(nèi)學者就遇到的問題組織了多次專家論證和討論會，在弦支穹頂結(jié)構(gòu)預應(yīng)力設(shè)計、節(jié)點選取、張拉施工模型試驗研究等方面積累了大量的經(jīng)驗。
1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題
國內(nèi)外對于弦支穹頂?shù)姆治鼍抻谀骋环矫妫瑳]有綜合從非線性、靜力特性以及模擬仿真的角度來進行分析。尤其是對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
本文將對弦支穹頂進行非線性分析，進而分析在考慮初始缺陷情況的非線性分析。本文還將對其靜力特性進行分析，最終將應(yīng)用有限元軟件ANSYS對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行仿真施工模擬。
1.6研究目的及意義
本文試圖通過對弦支穹頂結(jié)構(gòu)進行有限元分析，分析其非線性特征及靜力特征，并對施工過程進行模擬，本文將找出其合適的參數(shù)系統(tǒng)。本文將對弦支穹頂結(jié)構(gòu)的改進和提高提供有價值的參考
參考資料：
- [1] 張愛林,劉學春,葛家琪,張寶勤,張曉峰. 2008年奧運會羽毛球館預應(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,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)學報. 2003(01)
本文編號：8857
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