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张拉式膜结构设计与施工的研究

刘凯  
【摘要】: 薄膜结构是二十世纪中期发展起来的一种新型大跨度空间结构,是空间结构形式中的典型代表,其设计内容和分析方法要比传统结构复杂得多。薄膜结构的形态分析是薄膜结构设计中的一个重要环节。尽管国内外对这一环节的研究已趋于成熟,但多数研究只停留在设计层面,而对与设计息息相关的施工问题研究甚少。本文就以张拉式膜结构的设计和施工为主线,研究了张拉式膜结构的初始形态分析、荷载分析、裁剪分析和施工分析的方法,编制了相应的计算程序,并用本文方法和程序对张拉式膜结构进行了较深入的分析,在设计中考虑施工问题,力求做到设计与施工的一体化研究。建筑膜材多采用织物膜材。织物膜材具有正交异性,而且只能受拉,不能承受压力和弯矩,即具有材料非线性;张拉式膜结构在荷载作用下具有大变形和小应变的特性,即几何非线性,因此本文以非线性有限元理论为基础,采用膜单元、索单元和杆单元,对张拉式膜结构进行了非线性分析,其中非线性数值解法采用牛顿迭代法。本文总结了膜片初始形态分析的分析方法,并最终采用了小弹性模量的自平衡迭代初始形态分析法,其本质是先利用支座位移法进行初步初始形态分析,然后利用近似曲面逼近法进行精确初始形态分析。在已知等应力曲面的膜片中索矢跨比的条件下,推导了膜片中索初始预张力的显式公式。 本文编制了索杆体系的找力分析程序;利用索杆体系的找力分析方法,结合膜片的初始形态分析方法,提出了形态迭代求解法,此方法可进行索杆膜空间结构体系的协同初始形态分析,编制了相应的程序;在程序中,通过迭代求解,消除了由膜预应力作用所产生的误差。本文提出的形态迭代求解法可以很好地完成索杆膜空间结构体系的初始形态分析,初始形态分析结果不但可以满足膜片边界条件、使膜预应力分布接近理论假设值而且还可以给出指导施工的索张力值,为施工带来了便利,真正做到了设计与施工的一体化。本文还对在已知施工测量数据的条件下如何验算膜内力进行了分析,给出了算法并编制了相应的程序。 荷载分析采用非线性有限元法。利用温度荷载,提出了施工成形态分析方法,指出在初始形态分析结束后应进行施工成形态的分析,然后再进行荷载分析。 利用索杆系统确定了裁剪线的初始位置;利用施工成形态中的反分析思


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