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弦支穹顶结构的稳定性分析与静力试验研究

李阳  
【摘要】:弦支穹顶结构是由日本川口卫教授提出的一种新型结构形式,其将单层球面 网壳与张拉整体巧妙组合在一起,充分发挥各自的优点,并能有效遏制原有结构 形式的不足,在大跨度空间结构领域中具有广阔的发展前景。 本文作为天津大学钢结构教研室对弦支穹顶系统研究的一部分,以大型通用 有限元分析软件 ANSYS 为工具,以结构的静力、稳定性理论分析以及现场实物 静力加载试验为重点,对弦支穹顶结构进行了较为深入的研究。 考虑到结构的大变形,对弦支穹顶进行非线性静力分析,重点考察不同结构 矢跨比情况下弦支穹顶的杆件内力、节点变形以及预应力拉索内力变化等静力性 能。 研究各种矢跨比、初始缺陷、拉索预应力设定、节点刚度以及边界条件等结 构参数对弦支穹顶稳定性能的影响,并与相应单层球面网壳作对比分析。研究表 明,矢跨比和节点刚度是影响弦支穹顶稳定性能的首要因素。结构的稳定承载能 力随结构矢跨比的增加而增加;刚接节点弦支穹顶的稳定性能远优于铰接结构, 而且两种节点刚度的结构中预应力拉索的作用表现有所差别。边界条件的不同对 结构的整体稳定性能也有一定的影响。滑动铰支座虽然对于释放温度应力有明显 作用,但和三向支座相比其结构的稳定承载力则有较大的降低。此外,通过对包 含有不同大小初始缺陷的弦支穹顶结构进行的稳定性分析,发现弦支穹顶对初始 缺陷的敏感程度要低于相应的单层球面网壳。 结合天津博物馆实际工程,本文完成了柔性索弦支穹顶和刚性杆弦支穹顶两 类结构的现场实物静载试验,进一步了解在分级加载的状况下实际弦支穹顶结构 的杆件内力、节点变形以及拉索内力的变化。同时将试验数据与理论分析做比较, 以验证理论计算与实际结构的一致性。研究发现,两种结果定性分析比较吻合; 而由于现场实物试验的局限性以及预应力索张拉操作中存在的一定难度,其具体 数值仍略有差别。 最后,本文对弦支穹顶进一步研究以及实际推广中的重点难点加以总结。同 时,也对应用 ANSYS 对大型空间结构进行稳定性分析时的问题提出了自己的理 解。


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