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索杆张力结构的非线性有限元分析

赵鑫  
【摘要】: 索杆张力结构由于造型新颖丰富、构思巧妙、性能优良而越来越受到人们的青睐,被广泛的应用于各类建筑中,显示出巨大的生命力和广阔的应用前景。目前,国内外对索杆张力结构的研究在理论和实践上均取得了一定的成果。至今在工程中实现的索杆张力结构主要是索穹顶结构。这种结构一般作为建筑的屋盖部分,通常由索、压杆、中心受拉环和外围受压环等构件组成。我国在这方面的研究最近十几年才开始,并且取得了一些阶段性成果,但是从总体上讲,理论上有待进一步地深入。 本文首先描述了索杆张力结构的发展历史和现状,并简要说明了其主要结构形式——索穹顶结构的特点。在广泛阅读相关文献的基础上,本文介绍了目前主要的索单元模型,并比较了已有单元模型的优缺点。文献[23]和文献[24]提出了一种精度较高且计算工作量较小的四节点等参索单元理论,并成功运用于单索结构和索网结构的研究分析中。本文在此基础上提出了将四节点等参索单元与两节点直线杆单元相结合的有限元模型,即采用四节点等参索单元模型模拟拉索而用二节点直线杆单元模拟受压杆,其目的是把四节点等参索单元理论推广到索杆张力结构的研究分析中。 作为柔性的空间张拉结构,索杆张力结构只有在施加了预应力之后才具有刚度,因此研究这种结构形式的首要工作就是由给定的几何关系寻求合理的几何结构及预应力分布,即找形分析。索杆张力结构的第二类找形结果和自应力模态求得的结果基本吻合,特别是当所给的预应力值比较小的时候,所得结果完全相等。荷载分析是找形分析的后续步骤,通过荷载分析,可以检验找形后的结构在外荷载作用下是否安全,其任务就是求该结构在外力作用下的位移与内力。本文考察了索杆张力结构在不同静力荷载作用下的应力分布和位移变化规律,证明了索杆张力结构的代表形式索穹顶结构的力传递途径是由脊索从内向外一跨一跨地辐射式传递,越是靠近外环其单元的内力越大。结构的动力特性主要用结构的自振频率来描述,文章的最后对单索结构和索穹顶结构的自振频率进行了计算,发现其基频较小且高阶频率密集。以上研究工作都是基于四节点等参索单元理论,采用Fortran95标准语言编制有限元程序进行分析的。通过若干算例的分析比较,表明四节点等参索单元与两节点直线杆单元相结合的有限元模型具有比较好的精度,能够适用于索杆张力结构等大跨度结构的非线性分析。


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