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《浙江大学》 2003年
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索杆膜空间结构协同分析理论及风振响应研究

胡宁  
【摘要】: 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。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TU312

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【引证文献】
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【参考文献】
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1 张琛;光纤陀螺光路偏振特性及温度性能研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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7 徐巧云;白正仙;;抗风索双层张弦梁结构受力分析[A];第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2007年
8 尤德清;张建华;张毅刚;高波涛;;支座施工误差对索穹顶结构初始预应力的影响[A];第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2007年
9 解西秋;陶登科;员建成;胡树青;;十一运会(济南)自行车馆双向弯曲钢管桁架制作[A];第九届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2009年
10 罗尧治;余佳亮;孙斌;;鄂尔多斯超级穹顶网壳结构[A];第九届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2009年
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9 江锡虎;充气膜结构全过程分析和造型技术研究[D];同济大学;2006年
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3 尹德钰;刘善维;;山西省空间结构十年来的发展与展望[A];第六届空间结构学术会议论文集[C];1996年
4 张翰卿;;高校社会化的空间策略[A];湖北省土木建筑学会学术论文集(2000-2001年卷)[C];2002年
5 ;关于成立“空间结构委员会"的倡议[A];空间结构委员会二十周年纪念(1982-2002)[C];2002年
6 ;第五届空间结构学术交流会会议纪要[A];空间结构委员会二十周年纪念(1982-2002)[C];2002年
7 王世豪;;城市聚集经济和空间结构的实证分析——以顺德为例[A];中国地理学会2004年学术年会暨海峡两岸地理学术研讨会论文摘要集[C];2004年
8 赵媛;郝丽莎;;江苏省能源产业空间结构优化研究——以电力工业为例[A];中国地理学会2004年学术年会暨海峡两岸地理学术研讨会论文摘要集[C];2004年
9 涂远军;吴金志;张毅刚;;钢管贯通焊接空心球节点试验研究[A];第七届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2007年
10 卓新;董石麟;;基于仿生学的空间结构形体设计[A];第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C];2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 张华;钢结构建筑优化设计尤为重要[N];建筑时报;2007年
2 张兰阁;场效应与小剧场的空间结构[N];中国文化报;2001年
3 合肥 刘继潮;“以大观小”的思维智慧[N];黄山日报;2006年
4 孙芸;马克俭:最大爱好就是创新[N];中国教育报;2008年
5 记者 傅晓峰 实习生 孙鑫;《济南都市圈规划》通过专家评审[N];济南日报;2006年
6 傅秋瑛;历经艰辛终不悔 钢结构领域创奇迹[N];科技日报;2006年
7 陈应久;民族民间文化产业的空间结构与发展战略刍论[N];贵州民族报;2007年
8 记者 杨振军;科学规划 提高新建房屋抗震性能 优化空间结构[N];甘南日报(汉文版);2008年
9 记者 拓玲;未来12年重点扶持四大区域[N];西安日报;2008年
10 ;空间结构复杂化 产业结构分化[N];湖北日报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 胡宁;索杆膜空间结构协同分析理论及风振响应研究[D];浙江大学;2003年
2 郑君华;矩形平面索穹顶结构的理论分析与试验研究[D];浙江大学;2006年
3 邓厚平;战略成本动因控制模式研究[D];武汉理工大学;2009年
4 俞勇军;赣江流域空间结构模式研究[D];南京师范大学;2004年
5 傅涛;基于数据挖掘的分布式网络入侵协同检测系统研究及实现[D];南京理工大学;2008年
6 徐亚清;研究生创新能力培养的协同分析与实证研究[D];河北工业大学;2009年
7 何伟;区域城镇空间结构及优化研究[D];南京农业大学;2002年
8 赵书茂;基于GIS的区域可持续经济发展研究——以河南省为例[D];解放军信息工程大学;2004年
9 包惠;美国产业研发的空间结构与科技政策研究[D];华东师范大学;2005年
10 祝影;全球研发网络:跨国公司研发全球化的空间结构研究[D];华东师范大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 胡敏娴;徽州古村落人居环境空间研究[D];北京林业大学;2007年
2 朱赛男;晋商历史街区的空间构成要素及其形态分析[D];太原理工大学;2008年
3 赖达东;索杆膜结构的协同找形及荷载分析研究[D];浙江大学;2003年
4 袁俊;城市旅游空间结构系统研究[D];华中师范大学;2005年
5 王少杰;中日首都圈经济发展模式比较研究[D];河北大学;2006年
6 梁青;城市居住空间的新秩序性研究[D];江南大学;2008年
7 张莉;城市发展中的地价空间结构研究[D];南京师范大学;2002年
8 王庆伟;长春郊区游憩景观空间结构研究[D];东北师范大学;2004年
9 王海壮;长山群岛空间结构演变规律、驱动机制与调控研究[D];辽宁师范大学;2004年
10 鲁晓勋;区域一体化视野下大西安都市圈空间结构发展问题研究[D];西安建筑科技大学;2006年
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