索穹顶与单层网壳组合的新型空间结构理论分析与试验研究

【摘要】： 索穹顶结构是由Geiger根据Fuller的“张拉整体”思想开发出的一种结构效率极高的结构体系。传统的索穹顶结构表面铺设膜材料,出现的主要问题有:膜材料价格贵,防火性能差,难以消除雨噪声,保温隔热性能差,且裁剪铺设工艺相对复杂等,这些问题一定程度上阻碍了索穹项结构在我国大陆地区的工程应用。为了解决这些问题,本文提出了一种由索穹顶与单层网壳组合的新型空间结构形式,该结构可充分利用轻型、高效、通过预应力成型的索穹顶结构特性,又可发挥单层网壳便于铺设刚性屋面板的优势。本文从理论和试验两个方面对该种新型空间组合结构进行了系统的分析。 第一章总结了大跨度空间结构的分类,系统地分析了索穹顶结构的发展历史、工程应用和研究现状,并确定了本文的研究内容。 第二章对索穹顶与单层网壳的组合形式进行了分类,提出了6类索穹顶与单层网壳的组合形式,这些组合形式可以应用于不同类型的大跨度空间结构。 第三章针对圆形平面的肋环型和葵花型索穹项结构体系,推导了不设内环和设内环的圆形平面肋环型和葵花型索穹顶考虑自重的初始预应力分布计算公式,并给出了索穹顶考虑自重的初始预应力分布设计流程。 第四章以葵花型索穹顶与单层网壳的组合结构为例,定义了索穹顶与单层网壳之间连接杆的荷载传递系数、索穹顶和单层网壳的支座竖向反力分配系数,分析了该组合结构在均布荷载和集中荷载作用下的静力性能,研究了组合结构在预应力分布、预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比、支座约束刚度和组合结构形式等参数下的受力性能。 第五章通过改变组合结构的预应力分布、预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比、支座约束刚度、初始缺陷影响、荷载分布形式和材料非线性,系统地研究了组合结构的整体稳定性,比较了单层网壳、双层网壳、弦支穹顶和组合结构四种结构形式的经济性能指标。 第六章首先分析了组合结构的动力特性,其次对组合结构的球形屋面进行了风压分布数值模拟研究,再次采用人工模拟的风速时程曲线对组合结构进行了风振时程响应分析,最后分析了组合结构在多维多点地震输入下的时程响应。 第七章设计了肋环型索穹顶与肋环双斜杆型单层网壳的组合结构模型,并对其进行了下部索穹顶预应力张拉试验、组合结构在全跨和半跨荷载下的静力性能试验。根据试验结果,对试验的有限元计算模型进行修正,并对试验实测数据与理论分析结果进行了比较和分析。 第八章对本文研究的内容进行了总结,指出了该种新型空间结构仍需要解决的一些问题,明确了今后的研究方向。