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索杆膜结构的协同找形及荷载分析研究

赖达东  
【摘要】: 索杆膜结构是一种新型的建筑结构,有着受力合理、高效率、新颖造型及其良好的经济性等优点,显示出巨大的生命力和广阔的应用前景。 目前,国内外对索杆膜结构的研究在理论和实践均取得了一定的成果。但是在当前的分析设计中往往割裂索杆和索膜两者关系。索杆膜协同整体分析的研究才刚刚受到关注,形态确定的协同分析研究可以说在国内外还是空白。 本文首先在回顾国内外对索杆膜结构的分析方法的基础上,提出索杆膜结构找形的思路,认为索杆和膜的找形是两种不同类型的找形。索杆体系的找形是由给定的几何关系寻求合理的结构几何及预应力分布的过程,膜的找形是由一定的边界条件及预定先给的预张力寻求合理的结构几何形状的过程。 提出索杆膜结构协同找形的分析思路:按建筑外观及构造要求,索杆体系优化的结果,确定索杆结构的空间形状。由索杆结构,可以确定膜的初始形状,膜边界部分为固定边界,部分由索杆体系确定,为非固定边界,在找形中与索杆体系一起协同变形。 然后,采用非线性有限元分析方法,对各个单元进行分析,由虚位移原理,推导出求解方程,通过全N-R法迭代,实现索杆膜结构的协同找形。编制协同分析程序。 先对纯膜及索膜结构进行找形分析,然后对索杆结构进行找形分析,最后对各种索杆膜结构协同找形分析。得到了索杆膜结构的成形特性,验证了程序的正确性。比较协同找形与非协同找形的不同。考察协同与非协同找形对找形得到的膜曲面形状的影响。并考察不考虑膜作用和考虑膜作用对索杆结构找形的影响。非协同的找形可能对膜导致较大的误差,协同找形可以消除这种误差。 最后,对成形得到的各种索杆膜结构计算模型,考察结构在荷载下的受力性能。对不考虑膜作用的索杆结构和考虑膜作用的索杆结构的受力性能进行比较。考察在相同的设计荷载下,对索穹顶结构模型,对比协同荷载分析和非协同荷载分析对膜的不同反应。如果不考虑膜参与作用,索穹顶结构的承载力的计算值偏大,而变形计算值偏小,导致结构偏不安全。因此,索杆膜协同荷载分析是有必要的,能较真实反应结构承载性能。 协同找形及荷载整体协同分析可以使索杆膜结构的索杆结构设计较为轻柔,而不影响索杆膜结构的成形,并可以使索杆膜不同受力单元协调工作。从而可以节省钢材用量,体现索杆膜结构的优越性。


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