胡宁[1]2003年在《索杆膜空间结构协同分析理论及风振响应研究》文中研究说明索杆膜空间结构是一种由拉索、压杆、张力膜组成的，由预应力产生形状，由预应力产生刚度的新型结构形式。索杆膜空间结构以其新颖的造型、巧妙的构思、高效的结构得到人们的广泛关注。但迤今为止，对索杆膜空间结构的研究都是将索杆和膜片分离开单独分析，在索杆膜协同分析方面还是一个空白。本文从协同分析的思路出发，对索杆膜空间结构的形态分析、静荷载分析和风振响应进行了系统深入的研究。 首先，本文回顾了索杆膜空间结构的发展历程和研究现状，给出了索杆膜空间结构的定义及与其他结构形式的区别。 详细推导了索杆膜空间结构的几何非线性公式，并且针对膜材的正交各向异性特性、膜材的褶皱、索的自重垂度、索的松弛等问题采取了相应的有效实用的计算方法。在建立空间杆件体系平衡方程的基础上，采用广义逆方法求解各种情况下的平衡方程，采用奇异值分解方法求解索杆的机构位移模态和自应力模态，并推导了力密度方法的基本公式。编制了相应的程序作为索杆膜空间结构分析的计算工具。 采用力密度方法和几何非线性有限元方法联合求解已知预应力分布求解几何的形态分析。采用基于平衡方程的奇异值分解方法求解已知几何形状求解对应的预应力分布的形态分析。对于索杆膜空间结构的协同形态分析，本文提出当前位形平衡法和虚实耦合法两种方法。通过比较具有代表性的索杆膜空间结构算例分析，证明了理论和计算程序的正确性。指出非协同形态分析方法不能准确考虑位移协调关系，并导致几何形状偏移和膜内预应力损失等问题。从协同分析和非协同分析的比较证明了协同形态分析的意义，并提出了需要协同形态分析与否的界定标准。 采用以非线性有限元为基础的协同荷载分析方法进行索杆膜空间结构的静力分析。算例分析考察了膜褶皱和索松弛后的结构刚度变化和受力特性并进行参数分析。协同荷载分析与忽略膜刚度的非协同简化计算进行比较，可以得出：在索杆膜空间结构中，膜片既是一种柔性屋面材料，又是受力结构中不可或缺的一部分，并可能会削弱结构的刚度，与刚性屋面有很大不同。所以，索杆膜空间结构荷载分析采用简化计算将产生较大的误差，并且计算结果偏向于不安全。 对一个伞形索杆膜结构试验模型进行了形态分析、膜片裁剪以及荷载试验与理论计算的比较，验证了计算理论和程序的正确性，得出了协同分析的实际意义。另外完成了一个马鞍型索杆膜结构的实际工程，主要工作包括形态分析、裁剪加工、现场指导施工等，进一步切身体会了索杆膜空间结构的加工、安装过程。 采用二种方法计算索杆膜空间结构的风振响应。一种方法是从运动微分方程出发，采用非线性随机有限元研究了索杆膜空间结构在时域内的风振响应。采用线性滤波器法中的自回归模型及参数识别技术模拟了多维脉动风速时程，风速转化为风荷载时考虑风与结构的速度祸合、空气附加质量等因素。算例分析表明了索杆膜空间结构在风荷载作用下显示出较强的非线性特征。与膜片单独计算做了比较，证明忽略索杆弹性变形的影响将使结果偏于不安全。进行参数分析，并总结了结构响应的风振系数。另一种方法是采用计算流体力学方法(ComPutatinnal Fluld Dynamies)和计算结构力学方法(ComPutational structure Dynamics)仿真模拟结构在风场作用下的响应。采用CFD方法计算坡屋面周围气流的运动及对结构的作用，求解体型系数，与规范比较表明采用CFD方法可以比较正确的反应结构表面的风压分布。综合运用CFD和CSD技术实现固流祸合的仿真模拟。通过悬索坡屋面在平均风作用的稳态分析，并与不考虑祸合计算比较，表明固流祸合的仿真模拟较好的反映出结构大位移对局部流场和风压存在较大的影响。 论文最后对上述研究内容及成果做了较中肯的总结，提出了以后待解决的若干其他关键问题。
郑君华[2]2006年在《矩形平面索穹顶结构的理论分析与试验研究》文中进行了进一步梳理索穹顶结构除少数几根杆件受压外,其余杆件都处于张力状态,所以充分发挥了钢索的高强特性,且索穹顶结构一般以膜材作为覆盖材料,具有自重轻、跨度大及建筑造型自由丰富等特点。故这种结构同时集新材料、新技术、新工艺和高效率于一体,被认为是代表当今国际空间结构发展最高水平的结构形式。目前国际上有实际工程应用的索穹顶结构有Geiger型和Levy型两种,但现有对Geiger型索穹顶结构的研究都集中于圆形平面的结构形式上,关于矩形平面的索穹顶结构并未见有文献描述。本文对矩形平面Geiger型索穹顶结构的可行预应力分布、机构位移求解、施工张拉成形方法、结构的静动力性能、索杆膜的协同分析及其结构模型试验等内容进行了系统的研究。 本文第一章在查阅大量国内外相关文献的基础上,简单回顾了索穹顶结构的发展历史、工程应用及研究现状,并确定了本文的主要研究内容。 第二章推导了基于悬链线解析解的索单元变形协调方程式,并编制了相应计算程序对索穹顶结构精确的预应力分布进行求解,结构分析时压杆采用两节点直线杆单元,索采用悬链线索单元;考虑到索穹顶结构属于动不定结构体系,文中还对动不定体系的求解过程进行了详细的推导,同时采用建立在大变形基础上的变形协调方程来求解结构体系的有限机构位移。 考虑矩形平面Geiger型索穹顶结构对称性和预应力分布的可行性之后,矩形平面Geiger型索穹顶结构通常只有一个自应力模态,对于一个自应力模态的结构体系,可以建立其预应力分布的简捷显式计算公式,本文第叁章推导了矩形平面Geiger型索穹顶结构预应力分布的计算公式。 索穹顶结构的施工方法研究一直是该类结构体系研究的重点和难点之一,本文第四章对圆形平面和矩形平面Geiger型索穹顶结构的多种施工张拉方法进行了详细探讨和研究,并对索穹顶结构的施工过程进行跟踪和模拟,从而提出了一次张拉索穹顶结构外圈斜索、环索或其它杆件的施工成形方法。 第五章对矩形平面Geiger型索穹顶结构索杆部分在满跨荷载、半跨荷载作用下的受力进行了分析研究,考察了结构预应力改变对结构受力性能的影响,并将其静力特性与圆形平面轴对称Geiger型索穹顶结构进行对比分析,最后对索穹顶结构的动力特性进行了简单计算。 第六章对矩形平面Geiger型索穹顶结构进行了索杆膜协同分析,并提出了索穹顶结构索杆膜找形的逐次逼近法;其次在找形后的平衡态施加荷载,考虑索杆膜结构体系在满跨、半跨荷载作用下的力学性能。 第七章设计并加工了一矩形平面(4.7m×3.4m)Geiger型索穹顶结构,并对该模型进行了试验研究,研究内容包括预应力的施加、多种荷载工况的加载试验、自振频率的测试及多种施工成形方案的验证等。 论文最后对本文研究内容及成果进行总结,并指出了今后的研究方向。
张丽梅[3]2008年在《非完全对称Geiger索穹顶结构特征与分析理论研究》文中研究说明索穹顶是一种由索杆梁膜组成的柔性结构体系,它重量轻、跨度大,形式优美,造价经济,施工速度快。Geiger索穹顶在世界上最早应用于大型实际工程,自从问世以来一直是大跨轻结构领域研究的热点。本文结合一种非完全对称新型索穹顶——切角四边形Geiger索穹顶,对索穹顶设计分析的共性分析理论方法、结构特征,以及非完全对称切角四边形Geiger索穹顶特殊的个性特征进行了研究。体系分析是掌握柔性结构自身特性的前提,柔性结构是否可以导入预应力、预应力导入方式及效率是体系分析的重要内容。本文第二章建立了索杆梁体系分析方法,首次分析了索穹顶体系索杆梁模型的体系特征。首先建立索杆梁模型的体系平衡方程,应用平衡矩阵奇异值分解法求得体系的自应力模态数和机构位移模态数,判定体系是否可以导入预应力;然后应用列主元高斯消去法求得索杆梁体系的各阶自应力模态,并指明体系的预应力导入方式;首次提出应用自应力模态内积的概念和方法解决不同预应力导入方式及效率问题。本文第叁章建立了索杆梁膜索穹顶体系的整体协同找形方法,主要包括叁步:索杆体系的预应力分布、索杆膜协同找力、索杆梁膜体系的协同找形。最后应用该方法,编程实现了切角四边形Geiger索穹顶体系的整体协同找形。本文提出应用线性调整理论求解已知几何形状索杆结构初始预应力分布的方法,该方法可以在不考虑索杆体系刚度的前提下,运用线性迭代方法求出索杆体系的初始预应力,这样既能大大简化计算工作量,又能很好地解决多自应力模态索杆体系的初始预应力问题。第四章对切角四边形Geiger索穹顶体系的静力特性进行了比较分析研究。分析内容包括:满载和偏载下索杆梁体系和索杆梁膜体系的静力特性;有无谷索对索杆梁膜体系静力特性的影响;以及索杆梁膜体系在正常非对称设计荷载作用下的稳定性。分析结果表明:膜面、谷索及张力水平对索穹顶结构特征有较大影响,在结构设计时应充分考虑。第五章分析了索杆梁体系、索膜结构和索杆梁膜体系的自振特性,结果表明:索穹顶整体刚度主要由索杆梁体系及张力水平决定,膜面、谷索可提高整体刚度、有效抑制索杆局部扭转,但整体抗扭刚度仍较低。虽然膜面张力的提高可有效提高膜面局部刚度,但对整体刚度提高较小。而后采用线性自回归滤波器法(AR法)编程模拟了索穹顶体系的脉动风速时程曲线,进行了切角四边形Geiger索穹顶体系的非线性脉动风振响应分析,结果表明索穹顶风振效应十分显着。第六章首次提出采用极值I型概率分布模型来描述索长制作误差极值,并建立钢索制作误差极值模型。应用该模型对比分析了叁种索穹顶体系(经典Geiger索穹顶、肋环型索穹顶和切角四边形Geiger索穹顶)在索长产生制作误差情况下的预应力改变情况,并且找到了叁种不同索穹顶体系中对钢索制作误差敏感的索的类型。同时分析了由于钢索制作原因造成的索的有效截面面积和弹性模量(EA)的变化对索穹顶体系预应力的影响,这些研究对钢索的实际加工制作和安装具有一定指导意义。第七章应用非线性有限元法对切角四边形Geiger索穹顶进行了逆向施工模拟分析,通过主动索和辅助索索长的改变来实现索穹顶的整体提升,索长改变由施加温度荷载模拟。索穹顶整个安装过程从结构的理想平衡状态到中央环梁放至地面。该方法所有构件在地面组装整体提升,可避免边张拉、边安装带来的高空作业难度,同时可节省施工时间。论文最后对本文的研究成果进行了总结,并指出了今后的研究方向。
孙旭峰[4]2008年在《索穹顶结构耦合风振研究》文中进行了进一步梳理索穹顶结构除少数几根杆件受压外,其余杆件都处于张力状态,所以充分发挥了钢索的高强特性,且索穹顶结构一般以膜材为覆盖材料,具有自重轻、跨度大及建筑造型自由丰富的特点。由于这种结构同时集新材料、新技术、新工艺和高效率于一体,所以被认为是代表当今国际空间结构发展最高水平的结构形式。索穹顶结构具有如下的特点:跨度及柔性大,低阶自振频率小,非线性特征明显;自振频率密集且相互耦合;空间曲面及绕流特性复杂;膜在风荷载作用下振幅较大,结构场与流体场间的流固耦合效应不可忽略。所有这些特点使得索穹顶结构对风的作用非常敏感,但到目前为止,针对索穹顶结构的抗风分析还很少,而且这些分析都没有充分考虑上述索穹顶结构的受力特点。据此,本文分别采用数值风洞方法及简化气弹力学模型方法对索穹顶结构的耦合风振问题进行了研究,并将求解结果与试验值作了对比。第一章在查阅国内外相关文献的基础上,简要回顾了索穹顶结构的发展历史、工程应用及研究现状,并确定了本文的主要研究内容。本文第二章总结和推导了大跨度张力屋盖结构体系的气弹模型风洞试验所需满足的相似准则,并对肋环型索穹顶结构气弹模型风洞试验的数据进行了统计和分析。气弹模型风洞试验是对理论分析进行检验的重要依据。第叁章基于ADINA软件所提供的流固耦合功能采用不同湍流模型对索穹顶结构进行了耦合风振分析。在耦合风振分析中数值风洞方法极具应用前景,但在目前的技术条件下这种方法还存在一定的制约。本文第四章推导了索穹顶结构耦合风振分析的简化气弹力学模型。在模型的参数计算上,采用奇点配置法推导了叁维情形下结构振动诱导流场附加质量的数值计算方法;联合采用经验模态分解、改进的随机减量法及Hilbert变换对索穹顶结构的气动阻尼进行了识别分析;推导了基于本征正交分解的降阶谱解法。基于简化气弹力学模型的索穹顶结构耦合风振分析结果与试验的对比表明,该方法可以较好地应用于索穹顶结构的耦合风振分析。第五章采用简化气弹力学模型耦合风振分析方法对目前两种主要的索穹顶形式——肋环型和葵花型索穹顶结构进行了耦合风振参数分析,根据统计结果研究了位移及内力响应随各种参数的变化规律,并对位移及内力响应风振系数的取值提出了建议。论文最后对本文的研究内容及成果进行了总结,并指出了今后的研究方向。
参考文献：
[1]. 索杆膜空间结构协同分析理论及风振响应研究[D]. 胡宁. 浙江大学. 2003
[2]. 矩形平面索穹顶结构的理论分析与试验研究[D]. 郑君华. 浙江大学. 2006
[3]. 非完全对称Geiger索穹顶结构特征与分析理论研究[D]. 张丽梅. 上海交通大学. 2008
[4]. 索穹顶结构耦合风振研究[D]. 孙旭峰. 浙江大学. 2008