吊装自成型GFRP弹性网壳结构找形方法研究

发布时间：2020-07-25 12:46

【摘要】：弹性网壳结构是一种新型空间网壳结构,通过柔性长杆平面组装形成的网格在吊装过程中由于自重作用产生弯曲变形,从而形成设计所需网壳曲面。弹性网壳具备传统网壳结构的自重轻、材料效率高、空间利用率大、造型美观等优点,还兼具拆装简单、施工快捷的优势。然而,自1970年世界上首次建成弹性网壳至今,已建成的弹性网壳总数还非常少,其原因在于设计阶段缺乏通用的找形方法能洞悉弹性网壳由几何曲面到杆件平面布置,再由杆件平面布置到结构实际力学变形这两个阶段网壳的形态转换之间的规律,也没有通用的设计工具能够衔接弹性网壳在各个阶段的工作。弹性网壳在找形方法和力学计算上对工程师提出了很大的挑战。本文结合GFRP材料轻质高强、韧性好、弹性模量低延展率高的特点,针对一种GFRP材料组成的吊装自成型弹性网壳结构的找形方法进行研究,提出一种基于迭代的找形方法,使得网壳结构悬吊于空中时杆端位移已平行于支座,结构可直接下放安装于预设支座上。在此基础上,本文对找形所得网壳结构作施工过程模拟。随后,本文针对自由曲面转换为杆件平面布置的过程作研究,实现了等边长网格划分的算法和空间网格平面展开的算法。在此基础上,对多种曲面进行网格划分和平面展开,分析其实际受力变形曲面与原几何曲面的形状差异,研究网壳形态转换之间的规律。最后,以结构设计软件为蓝图整合上述实现的功能,为后续的进一步弹性网壳研究和进一步软件研发打下基础。本文研究表明,本文提出的迭代找形方法能高效满足GFRP起吊自成型网壳的施工要求,找形所得网壳结构具有很高的承载力储备。本文实现的曲面等边长网格划分程序和提出并实现的网格平面展开算法对各种曲面形式具有良好的适应性和可用性,分析的算例拓宽了起吊自成型的施工方法的形式和思路,并对网壳由平面到曲面的形态变换上做出了一定探索。最后整合的找形设计软件功能完备,能在弹性网壳在找形设计和分析上提供有力的帮助。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU399
【图文】：

几何形状,弹性网,变形过程

上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1 研究背景1.1.1 弹性网壳结构弹性网壳结构是一种采用柔性杆件组装并通过弹性变形成空间几何形状的新型空间结构[1]。它具有自重轻、材料效率高、空间利用率大、造型美观且施工简单快捷等优点。网壳采用统一规格的长直杆件，在平面上放样布置连接，随后通过支撑或起吊的方式通过构件自身的弯曲变形和杆间转角来形成曲面造型，结构支撑成型之后将网壳边缘杆件锚固在支撑节点上，由此来获得面内抗剪刚度来抵御风雪等荷载[2]弹性网壳体结构在建造、使用过程中都处于弹性变形，拆装简单，可复用性高。其变形过程如图 1-1 所示。

曼海姆,多功能厅,屋顶,德国

的刚度太大难以弯曲成型；如果构件的弹性模量过小足使用要求。所以，弹性网壳对材料的要求是刚柔合纤维材料 GFRP 和弹性网壳的结构形式，可以充性，也满足弹性网壳需要的连续柔性长杆要求。相较，GFRP 的力学性能离散度小，变形性能也更优秀[的发展历程建筑领域的应用已有数十年的历史。第一个真正意德国工程师弗雷·奥托在 1976 年建成的曼海姆多功体组成，由两层5cm × 5cm截面的木条组成，并覆是60 ，结构最高点20 。整个结构覆盖7400构的建造过程中，支撑其成型采用的是内部搭脚手构来进行设计，未考虑长期使用，因此没有按长期建力，但是这个结构依旧延用至今[11]。

会场,巴黎

然而由于木材易腐蚀老化、易燃、施工困，此类结构并未得到广泛使用。着 FRP 材料越来越多地被应用于建筑工程当中，不应用面[12]。法国的 Navier Laboratory 研究人员结合这一具有韧性的材料，可以通过材料的弯曲来形成activebending）来使结构产生较高的刚度。基于这一了他们的青睐[13]。构原型试验和找形方法研究后，他们分别于 2007 年座弹性网壳结构，其中 Gridshell Ur Navier（2007）m at Solidays（2011）作为巴黎当地 Solidays 音乐节提供了活动场所，之后被拆除[14]。CréteilCathedral（古教堂翻修工程中的临时教堂，为附近的教民提供名教民，计划使用时间2年。此结构占地350m2，结构实际公共服务的概念性建筑，这一系列工程充分展用于网壳结构的可行性和优势，有良好的发展前景

【参考文献】