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板锥柱面网壳结构的试验研究与分析设计

郑少鹏  
【摘要】:板锥网壳结构是在国外实际工程案例的基础上通过创新改编发展起来的一种新型空间结构,由弦杆和锥体单元组成,将双层网壳的腹杆以锥体单元替代。其结构整体刚度大,板材主要承受薄膜内力,可以充分发挥板材的优势,具有工业化程度高、运输方便、形体美观、造价低廉等优点,是一种非常有前景的空间结构。板锥网壳结构在国内对它的研究非常少,目前还停留在理论研究阶段,本文提出对板锥柱面网壳结构进行模型试验,对其细部构造进行设计,提出几种节点及支座节点的连接方式,根据结构形式设计出二种锥体模型及各锥体之间拼接角度,降低了加工难度。对试验模型在正常荷载模式和破坏荷载模式这二种荷载工况下进行加载试验,研究结构稳定性、受力形式、合理的连接构造及破坏全过程。得到结构的内力分布、荷载-位移曲线、极限承载力及破坏形态,验证理论分析的正确性与结构的可靠度,为板锥网壳结构的实际应用提供科学依据,同时给出板锥网壳结构在设计中的建议。本文根据板锥网壳结构的形态特点,采用ANSYS软件自带的APDL语言参数化的编写出其前处理建模程序,并在附录给出其具体程序代码,为后续研究者提供了便利。对板锥柱面网壳结构的试验模型采用弧长法并引入初始缺陷进行非线性屈曲分析,考虑了材料非线性,得到荷载-位移的全过程曲线,最后将试验模型与普通柱面网壳结构进行极限承载力的对比分析。通过有限元分析结果和试验结果及与双层柱面网壳结构进行对比分析,得到如下结论:结构的力流传递方向沿拱轴方向,纵向节点位移基本一致,拱轴方向的位移跨中较大,边缘较小,结构整体刚度大,荷载-位移曲线的变化规律和破坏形式基本一致,板锥柱面网壳结构的薄弱部位是在节点的连接处,其极限承载力由节点连接处的强度控制,双层柱面网壳结构的极限承载力由局部稳定所控制,板锥柱面网壳结构的极限承载力要比双层柱面网壳结构高。通过上述分析可见本文采用的建模方式和分析方法是行之有效的分析方法,为今后板锥柱面网壳结构的工程设计及施工提供了理论依据。


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