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《哈尔滨工业大学》 2012年
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自由曲面单层网壳结构形态创构方法研究

王有宝  
【摘要】:单层网壳结构由于受力较合理、跨越能力大、安装方便、形式自由、造型美观,在空间结构领域得到了广泛的应用。但曲面形状多为常规解析曲面(柱面,球面,双曲抛物面等),即使现在形式更为自由的曲面网壳得到部分应用,也仅仅是建筑师追求的外型上的自由。目前所采用的单层网壳结构形状对初始几何缺陷比较敏感,且超越一定跨度后,其刚度和承载力难以满足设计要求。单层曲面网壳结构是一种“形状抵抗型”结构,如何创构出“轻而刚”的、自由、灵活的具有良好稳定性能的单层网壳结构形状,是目前需要解决的问题。建筑结构形态设计,要求既保证足够的刚度,又要保证结构的稳定性能。单层网壳结构的刚度和力学性能的稳定性可以由荷载作用下所产生的结构应变能大小与应变能敏感度来评价。应变能越小,结构刚度越大;应变能敏感度越小,结点偏差带来的力学性能的稳定性变化越小。 文中推导了单元刚度矩阵对节点坐标的微分以及坐标转换矩阵对节点坐标的微分,得到了结构应变能对节点坐标的敏感度,阐述了非均匀有理B样条的基本原理和在初始形状创建过程中的应用方法;建立了单层网壳结构形态创构方法,它是利用有限单元法,计算关于网壳结构应变能对节点坐标的敏感度,并利用应变能敏感度的性质逐步修正节点坐标向量,最后使结构趋向达到应变能最小的合理形态。文中还以不同支座约束条件和不同荷载条件下的单层网壳结构形态创构作为算例,考察了进化过程的形状和力学性能的变化规律,总结了该方法的特点。 针对建筑方案设计阶段可能存在的需求,探讨了不同空间条件和初始形状下的形态创构过程,创构出多种自由、灵活的“轻而刚”的合理形状。文中还进行了对常规曲面(柱面、球面、双曲抛物面)结构形态的修正,比较了极限承载力和初始缺陷的敏感程度。 本文提出的方法虽然以应变能作为目标进行操作,但进化过程中结构不仅得到了刚度的增大,极限承载力也得到了明显的提高。随着进化,应变能敏感度逐步减少,收敛阶段接近零,降低了结点偏差对结构力学性能带来的影响,有效改善了对初始几何缺陷的敏感程度。利用该方法不仅可以得出多种自由曲面,而且可以在建筑师所确定的建筑意图条件下提高结构的力学合理性,这对结构形态的确定有着重要的意义。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TU33

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【参考文献】
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