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大型索杆梁张拉空间结构体系的理论研究

张志宏  
【摘要】: 本文发现C.Oran梁柱单元在求解纯弯曲问题时非常困难,而经典的T.L./U.L.法在求解以轴力为主的结构时效率不如梁柱理论有限元高。反过来,求解以弯矩为主的结构时,虽然梁柱单元误差也可以很小,但是其计算效率将随轴力与弯矩比值的减小而降低,甚至不收敛。 本文提出了连续索张拉时考虑滑移的悬链线索单元算法,并对其进行了算例验证。 本文首次将平衡矩阵理论推广到索杆梁体系并针对具有单一自应力模态的张弦梁体系进行了算例验证。梁单元不能作为主动张拉单元,采用本文方法可求出梁、杆单元的内力分布,可根据这一自应力(自内力)分布来选择构件的截面,对于构件的截面设计很有意义。 本文将动力松弛法和局部弧长法结合起来用于空间网格结构的非线性静力稳定性分析,并对其进行了经典算例验证。 本文提出基于将索、杆单元和梁单元分开的结构分块的思想来求解大型索杆梁混合单元体系初始预应力分布的局部分析法和适用于初始刚度不为零的超静定结构的单位初应变自内力分布矢量线性组合法两种方法,从而解决了大型索杆梁张拉空间结构体系初始自应力(自内力)的确定问题。 本文采用局部分析法成功地解决了张弦梁结构等大型索杆梁张拉空间结构体系的零状态几何确定问题。通过对形状确定问题的研究,可得出如下的结论:体系自应力(自内力)分布矢量的方向决定体系初始态几何;体系自应力(自内力)分布矢量的大小只影响体系的零状态几何;体系各个单元的截面尺寸设计也将影响体系的零状态几何。 本文提出了在初始自应力(自内力)确定的情况下结构体系各个单元的截面特性的确定问题。这个问题的意义在于索杆张拉体系和索杆梁张拉体系的施工可行性问题,也即根据平衡矩阵确定的体系的初始自应力(自内力)是否一定能够实现;初始几何构形(设计构形)是否一定能够张成;如果放松主动张拉单元,被动张拉单元的内力是否能够完全释放。单元截面特性确定问题和包含一阶或高阶无穷小机构的杂交结构的施工过程密切相关,该问题的解决是对平衡矩阵理论的补充和进一步完善,因此具有重要的理论意义和应用价值,是该类体系施工过程可行性分析和单元截面设计的理论基础。 在对大型索杆梁张拉空间结构体系进行静力分析的基础上,对肋环型索杆梁体系的合理的预应力分布和大小进行了研究。 对索杆梁体系动力响应作了详细的分析,对索杆梁体系在具有初始自平衡内力的情况下的动力响应量值有了一个明确的概念。对不同截面相同预应力和相同截面不同预应力模式下的索梁体系进行了参数分析,比较结果为内环的动力响应最为明显。 本文通过威廉平面刚架对静力稳定性分析的意义加以诠释,这种从势能和动能相互转化的观点可以较好的解释结构失稳时动能的来源和大小。同时对大型索杆梁张拉空间结构体系的稳定性进行了分析。 本文提出基于体系平衡矩阵将杆单元内力转化为悬链线索单元内力并可同时考虑节点荷载、保持体系设计构形的理论方法和基于动力松弛法的控制索段原长的张拉下斜索的施工分析及模拟方法。依据本文理论编制的程序成功的对一小型索杆张拉结构的设计和施工过程进行了分析模拟。 希望本文的工作能为索杆体系和索杆梁体系在我国的工程应用有所帮助。


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