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索穹顶结构的静动力分析及优化

宋娟  
【摘要】: 索杆张力结构体系是张拉整体结构、索穹顶结构及空间索桁结构等具有张力索和压杆的预应力平衡体系结构的总称。这种由连续的拉索和间断的压杆组成的体系其结构效率极高,表现出以往空间结构形式所不具备的优越性,已经引起了人们的广泛兴趣。索穹顶结构和索桁结构在工程中的应用,更加说明了索杆张力体系具有强大的生命力。但迄今为止,这种新型结构在我国内地还没有实际的工程应用,对索杆张力结构体系的认识还不全面,这方面的研究工作正在不断进行之中。 目前国内外对于索杆张力结构的研究主要集中在几何拓扑、预应力平衡态分析、几何稳定性判定、荷载态分析及施工过程跟踪、试验研究等方面。对其代表作索穹顶结构的研究主要集中在索穹顶的几何特性和几何稳定性研究、索穹顶的自内力模态和预应力分布优化分析、索穹顶结构预应力损失问题的研究、索穹顶结构的非线性有限元基本理论分析、索穹顶结构的施工模拟分析、索穹顶结构的静动力特性模型试验研究等。其研究方法已经从纯理论走向理论服务实际、解决实际的工程问题,从静力领域走向动力领域。但是从总体上来说理论还不够统一、全面。 本文首先在大量阅读国内外参考文献的基础上,总结了国内外对索杆张力结构的研究现状,工程应用情况以及尚待解决的问题,重点介绍了索杆张力结构的代表作索穹顶结构。探讨了索穹顶结构的特点及优点,从而完成了对索杆张力体系和索穹顶结构的概念性研究。并在前人工作的基础上,提出了本文的主要研究内容和技术路线。 本文对索杆张力结构的非线性有限元方程的建立及求解做了进一步的说明,并通过有限元分析软件ANSYS对索穹顶结构的静力性能进行了分析,研究其在不同预应力及几何参数作用下构件的内力与位移的变化情况。在静力分析的基础上,对索穹顶结构的自振频率和振型进行了分析,研究了在不同预应力和几何参数作用下构件的自振频率及振型的变化规律,并将其结果与静力分析的结果进行了比较,得出两者的结论是相同的。 目前对于索穹顶结构优化方面的研究还比较少,本文以截面面积和预应力为设计变量,分别以节点位移和单元内力为状态变量对结构总重进行非线性约束优化,并将两种状态变量所得的优化结果进行比较,得出的结论对提高计算效率以及设计质量有一定的参考价值。 最后,本文对所有研究工作进行了总结,并指出进一步研究中需要解决的问题。


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