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预应力弦支穹顶结构稳定性分析及优化设计

刘学春  
【摘要】: 弦支穹顶结构是将张拉整体、索穹顶等柔性结构的概念和单层网壳相结合而形成的一种新型的空间结构体系。与单层网壳相比其具有结构刚度大、稳定性高、重量轻等特点,与双层网壳相比,其具有结构形式新颖,造型美观,节约空间等特点。弦支穹顶可以更加经济合理、新颖美观地跨越更大的跨度。本文分析了弦支穹顶结构的特点和研究现状,对国内外研究成果进行了总结,提出了弦支穹顶结构研究亟待解决的问题。以奥运会羽毛球馆实际工程设计为契机,针对于超大跨度弦支穹顶结构进行了较系统和全面的理论研究。 介绍了弦支穹顶的结构组成和分类,对静力和整体稳定性分析中采用的非线性有限元求解方法进行了总结。 通过对同一跨度、不同矢跨比的5种弦支穹顶结构和单层网壳进行的静内力、节点位移、结构体系应变能、特征值屈曲、非线性屈曲、非线性极限承载力、荷载-位移平衡路径跟踪分析和比较,阐述了弦支穹顶结构的各项性能,通过与单层网壳的比较,阐明了弦支穹顶结构的优越性。 通过对联方型、肋环型、肋环斜杆Ⅰ型、肋环斜杆Ⅱ型、肋环斜杆Ⅲ型弦支穹顶结构进行的分析优化比较,研究了网格形式对构件内力、节点位移、支座反力、整体稳定的影响,提出了适合弦支穹顶结构的合理网格形式。分析了网格密度、矢跨比、撑杆长度、钢索预应力值等设计参数对弦支穹顶各项性能指标的影响,得到了经济合理的设计参数取值范围。探讨了稳定约束的弦支穹顶钢索合理预应力度的优化方法,分别以网壳杆件内力、节点竖向位移和节点垂直向下位移为目标函数编制了优化程序,得到了整体稳定约束的弦支穹顶结构确定钢索预应力值的可行方法。分析了初始几何缺陷对整体稳定的影响,研究了初始几何缺陷的提取和施加方法及其对结构稳定性的影响。对现行的特征值屈曲模态引入初始几何缺陷的方法提出了修改建议。利用概率理论和结构可靠性理论,提出了考虑施工偏差随机分布的概率法引入初始几何缺陷。 本文研究的成果在跨度93米,矢高9.3米,矢跨比1/10奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构的设计中得到了应用,在结构选型、基本设计参数的确定、钢索预应力度的确定、整体稳定分析中,都使用了本文的研究成果,并收到了预期的良好效果。设计出了造型美观、受力合理、经济适用的奥运会羽毛球馆,体现了科技奥运和节俭办奥运的精神。介绍了2008年奥运会羽毛球馆的整个设计过程,总结了工程设计中须要考虑的各种因素及处理方法,阐述了工程设计中关键参数的


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