索网结构非线性全过程分析与研究

【摘要】： 索网结构是张力结构体系的一个重要组成部分，和传统刚性结构相比较其结构行为有两个显著的特点：几何形态和索单元预应力分布相互影响，力学分析模型的确定需要通过找形实现，这是一个高度几何非线性的过程；结构负荷工作阶段，无论其静力行为还是动力行为均体现出较高的非线性特性，结构工作行为极容易受结构参数变化的影响。 本文首先按照U.L公式推导建立了索网结构非线性增量平衡方程，根据索网结构找形的支座位移法，结合非线性方程组的求解，给出了索网找形的数值化过程；然后借助大型有限元通用分析程序ANSYS，采用支座位移法，按照完全Newton—Raphson法和BFGS相结合进行非线性求解的思路对索网结构实现了找形，并利用APDL语言编制了找形的程序，结果比较表明，本文的找形方法是可靠的；由于索网结构的几何形态在索段预应力分布改变的情况下存在几何失稳的问题，本文研究了初始预应力和结构自重对形态稳定的影响，确定了影响索网形态稳定的主要因素；在确定的几何形态基础上，分别考虑了荷载分布形式、荷载强度变化、索段预拉力、索段截面积和矢跨比变化对索网静力力学行为的影响，确定了影响索网静力行为特性的主要因素。 确定了索网结构的基本力学行为后，为了研究其动力特性，本文按照Hamilton原理推导了结构动力有限元平衡微分方程。同时给出了索网结构中常用的索单元的力学特性矩阵。然后，介绍了振动平衡微分方程求解的数值积分方法，给出了中心差分法、线性加速度法、Wilson-θ和Newmark-β法的积分格式，建立起索网结构动力有限元分析的方法；为了研究索网结构自振特性，本文推导了自振振频率计算的Lanczos法和振型参与系数，然后进行了自振特性分析，研究表明，索网结构以竖向振动为主；同时，还分别考虑了主索面积、副索预拉力、荷载分布形式、荷载变化以及大变形效应对结构自振特性的影响，得出了相应的规律；据此进行了地震反应谱分析，对影响谱响应的参数，如结构阻尼、模态扩展阶次、谱输入方向和大变形效应等进行了研究，结果表明阻尼和大变形效应对结构谱响应特性影响较大；为了研究索网结构的瞬态动力特性，在有限元动力理论的基础上建立了动力非线性问题求解的增量平衡方程，给出了方程的求解流程，同时还对非线性动力问题求解参数的选择作了探讨；然后分别考虑地震记录的一维输入、多维输入、结构荷载效应和结构参数对其抗震性能的影响作了详细的计算分析，揭示了索网结构地震动响应变化规律。本文的研究内容对实际索网结构的全过程分析设计有参考价值。