索杆膜空间结构协同分析理论及风振响应研究

【摘要】： 索杆膜空间结构是一种由拉索、压杆、张力膜组成的，由预应力产生形状，由预应力产生刚度的新型结构形式。索杆膜空间结构以其新颖的造型、巧妙的构思、高效的结构得到人们的广泛关注。但迤今为止，对索杆膜空间结构的研究都是将索杆和膜片分离开单独分析，在索杆膜协同分析方面还是一个空白。本文从协同分析的思路出发，对索杆膜空间结构的形态分析、静荷载分析和风振响应进行了系统深入的研究。 首先，本文回顾了索杆膜空间结构的发展历程和研究现状，给出了索杆膜空间结构的定义及与其他结构形式的区别。 详细推导了索杆膜空间结构的几何非线性公式，并且针对膜材的正交各向异性特性、膜材的褶皱、索的自重垂度、索的松弛等问题采取了相应的有效实用的计算方法。在建立空间杆件体系平衡方程的基础上，采用广义逆方法求解各种情况下的平衡方程，采用奇异值分解方法求解索杆的机构位移模态和自应力模态，并推导了力密度方法的基本公式。编制了相应的程序作为索杆膜空间结构分析的计算工具。 采用力密度方法和几何非线性有限元方法联合求解已知预应力分布求解几何的形态分析。采用基于平衡方程的奇异值分解方法求解已知几何形状求解对应的预应力分布的形态分析。对于索杆膜空间结构的协同形态分析，本文提出当前位形平衡法和虚实耦合法两种方法。通过比较具有代表性的索杆膜空间结构算例分析，证明了理论和计算程序的正确性。指出非协同形态分析方法不能准确考虑位移协调关系，并导致几何形状偏移和膜内预应力损失等问题。从协同分析和非协同分析的比较证明了协同形态分析的意义，并提出了需要协同形态分析与否的界定标准。 采用以非线性有限元为基础的协同荷载分析方法进行索杆膜空间结构的静力分析。算例分析考察了膜褶皱和索松弛后的结构刚度变化和受力特性并进行参数分析。协同荷载分析与忽略膜刚度的非协同简化计算进行比较，可以得出：在索杆膜空间结构中，膜片既是一种柔性屋面材料，又是受力结构中不可或缺的一部分，并可能会削弱结构的刚度，与刚性屋面有很大不同。所以，索杆膜空间结构荷载分析采用简化计算将产生较大的误差，并且计算结果偏向于不安全。 对一个伞形索杆膜结构试验模型进行了形态分析、膜片裁剪以及荷载试验与理论计算的比较，验证了计算理论和程序的正确性，得出了协同分析的实际意义。另外完成了一个马鞍型索杆膜结构的实际工程，主要工作包括形态分析、裁剪加工、现场指导施工等，进一步切身体会了索杆膜空间结构的加工、安装过程。 采用二种方法计算索杆膜空间结构的风振响应。一种方法是从运动微分方程出发， 采用非线性随机有限元研究了索杆膜空间结构在时域内的风振响应。采用线性滤波器法 中的自回归模型及参数识别技术模拟了多维脉动风速时程，风速转化为风荷载时考虑风 与结构的速度祸合、空气附加质量等因素。算例分析表明了索杆膜空间结构在风荷载作 用下显示出较强的非线性特征。与膜片单独计算做了比较，证明忽略索杆弹性变形的影 响将使结果偏于不安全。进行参数分析，并总结了结构响应的风振系数。另一种方法是 采用计算流体力学方法(ComPutatinnal Fluld Dynamies)和计算结构力学方法 (ComPutational structure Dynamics)仿真模拟结构在风场作用下的响应。采用CFD方 法计算坡屋面周围气流的运动及对结构的作用，求解体型系数，与规范比较表明采用 CFD方法可以比较正确的反应结构表面的风压分布。综合运用CFD和CSD技术实现固 流祸合的仿真模拟。通过悬索坡屋面在平均风作用的稳态分析，并与不考虑祸合计算比 较，表明固流祸合的仿真模拟较好的反映出结构大位移对局部流场和风压存在较大的影 响。 论文最后对上述研究内容及成果做了较中肯的总结，提出了以后待解决的若干其他 关键问题。