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索撑网壳结构的几何构成与静力性能研究

李欣  
【摘要】: 索撑网壳是一种适合于玻璃采光顶结构特点的新型单层网壳形式。与普通的单层网壳结构相比,其最大特点在于每个网格单元都是平面四边形,从而方便了玻璃面板的制作和安装,提高了结构的通透性。为提高四边形网格单元的面内剪切刚度,在每个四边形网格面内还设置了对角向的交叉支撑索,使得结构整体成为一种由刚性梁单元和柔性索单元共同组成的混合结构。目前,我国对这种新型结构形式的研究和工程应用均处于空白状态。但从近年来国内大型公共建筑蓬勃发展的趋势来看,这种新型结构体系的应用指日可待。为此,本文在参阅国外文献的基础上,对索撑网壳的曲面建模方法、基本静力性能、静力稳定性能等问题开展了系统研究,为将来指导工程奠定了基础。论文主要工作有: 分析了索撑网壳结构的几何构成特点,对其网格划分方法进行了广泛探讨。在此基础上,采用表面平移法,实现了对具有复杂曲面形式的索撑网壳结构的网格划分。 利用大型有限元分析软件ANSYS对一种典型的索撑网壳结构形式——圆形底面椭圆抛物面网壳结构,进行了静力参数分析。考虑了钢杆件截面、索截面、索初始预应力、结构矢跨比以及荷载分布形式等参数在常用范围内的变化情况,分析了结构单元最大内力和节点最大位移的变化规律。结果表明:钢杆件截面、索截面、索初始预应力等参数对结构静力性能的影响是相关的,合理选择三者之间的比例关系可使结构受力性能达到最佳状态。 在对基本静力性能分析的基础上,还采用非线性有限元法,对圆形底面椭圆抛物面索撑网壳的静力稳定性进行了系统研究。考察了钢杆件截面、索截面、索初始预应力、矢跨比以及荷载分布形式等参数,对结构稳定极限承载力的影响。结果表明,索撑网壳结构对缺陷极为敏感,很小的缺陷就会导致极限荷载的大幅度下降;在计算过程中还发现,索撑网壳结构存在弹性和弹塑性两种失稳形式。


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