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平面索桁架形态分析与张拉索膜结构动力特性分析

秦敬伟  
【摘要】: 建筑师的使命是探寻一种简约建筑和原生态建筑。因为在当代空间、土地、材料和能源及其有限的条件下,需要更轻巧、更节能、更灵活且更具适应性的建筑,膜结构正是无数建筑师和设计人员不懈索求的结果。 薄膜结构刚度小、重量轻,对风等低频动荷载较为敏感,其动力反应分析是结构分析和设计中不可或缺的方面,而对其自振等动力特性的了解是动力反应分析的基础。因此,研究结构的动力特性有重要的意义。结构动力特性取决于结构的质量和刚度。其中质量的影响机理较为简单,且对薄膜结构而言其变化幅度不大。而影响薄膜结构刚度的因素比较复杂,其中膜面预应力、失跨比和跨度对刚度具有显著影响且变化幅度较大。 本文利用张拉索膜结构分析和设计软件CAFA(杨庆山,2004)先进行形态分析,确定其形状,得到刚度和质量矩阵,然后编制Fortran程序,利用子空间迭代法求解频率方程,对薄膜结构的动力特性进行了分析,并主要讨论预应力、矢跨比、跨度、边索预应力、膜面索以及边界支承条件的影响。结果表明,薄膜结构频率密集,连续成丛分布并且有多个频率重迭;刚性边界跨度较小的薄膜结构的频率较高;跨度较大且比较平坦的大面积薄膜曲面的频率较低,并且分布非常密集;支承体系与膜面索对自振频率影响不显著,但会使结构的振型发生较大的变化。 索桁架是由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索,以及它们之间的连系杆(拉杆或压杆)组成。索本身在非张力状态下不具有承载所必需的形状和刚度,其初始形状和刚度是根据其预应力状态和边界条件由平衡方程计算,即形态分析得到。确定结构的形状之后,才能对其进行静力分析和动力分析。本文采用考虑几何非线性的有限元法对索桁架结构进行形态分析,并编制相应的程序,在形态分析的基础上应用子空间迭代法对索桁架进行自振特性的分析,得到相应的频率和振型。结果表明该方法迭代步少,计算结果满足工程精度。


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