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葵花型索穹顶结构的理论分析和试验研究

詹伟东  
【摘要】: 葵花型索穹顶结构是由索、杆和膜组成的白应力空间结构体系,是一种受力合理,效率极高的结构形式。它是在佐治亚穹顶基础上改进而成的圆形顶索穹顶结构。国内对这种索穹顶结构形式研究的比较少,而且认识还很不全面。本文从理论和试验两个方面,对葵花型索穹顶结构的形态、静力和动力性能、施工成形方法和模型试验等内容进行了系统的研究。 简单介绍了索穹顶结构的发展历史和几项国外索穹顶结构建筑;回顾了索穹顶结构的研究现状,指出了今后的研究方向。 明确了葵花型索穹顶结构形态分析的具体内容;阐述了用平衡矩阵理论和简化算法求解索穹顶结构初始预应力的过程,指出葵花型索穹顶结构的自应力模态s>0且机构位移模态m=0,相当于结构力学中的超静定结构,同时它也是几何稳定的结构;提出了考虑结构自重时葵花型索穹顶结构初始预应力的求解方法,这种方法求得的初始预应力更加准确。 建立了葵花型索穹顶结构的计算模型;运用ANSYS有限元软件对葵花型索穹顶结构和葵花型张拉挑蓬结构作了静力性能分析,结果显示这两种结构具有良好的刚度和承载能力。提出了预应力对结构的作用有两个:在施工成形阶段,预应力的作用为保证结构能够施工成形;而在施工成形后,预应力的作用主要是改变结构中各构件的内力分布,同时控制索不要退出工作。 提出了采用一次超静定平面径向桁架结构,求解荷载态下葵花型索穹顶和葵花型环形挑篷内力和位移的简捷计算方法,该方法力学概念明确,思路清晰,计算简便,结果可靠。 分析了葵花型索穹顶结构和葵花型张拉挑蓬结构的动力特性;考虑了预应力对这两种结构自振频率和振型的影响,结果表明,预应力增加,这两种结构的自振频率也增加,但预应力对低阶频率比高阶频率影响大。预应力对葵花型索穹顶结构的振型基本没有影响,但对葵花型张拉挑蓬结构的振型影响较大。 分析了葵花型索穹顶结构和葵花型张拉挑蓬结构的抗震性能。地震荷载作用下,结构中的动位移和动内力都不大。 提出索穹顶结构的设计思想已经从最初的“连续拉,间断压”,发展为“间断拉,间断压”;施工成形技术也从原来的张拉斜索,演变为张拉最外圈的脊索 浙江大学申请博士学位论文 葵花型索育顶结构的理论分析和试验研究 或者最外圈的斜索。索弯顶的设计思想、节点设计和施工成形方法是统一的。葵 花型索弯顶结构的模型试验表明,张拉最外圈斜索的施工成形方法是切实可行, 而且是行之有效的。 设计了葵花型索弯顶结构模型,运用该模型测量了结构初始预应力及结构在 外荷载作用下的静力性能。试验模型的初始预应力分布的试验结果和理论值之间 吻合程度良好。葵花型索弯顶结构模型在外荷载作用下,其构件的内力实测值与 理论计算值基本符合,但试验模型中构件内力分布不均匀的情况较为明显,位移 实测结果与理论结果之间的误差较大。 通过葵花型索弯顶结构的模型试验,验证了本文计算理论的正确性,也说明 试验模型的可靠性。


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