蛋圆曲面单层网壳非线性稳定性研究

发布时间：2020-09-01 18:43

　　随着我国的不断发展,越来越多形态各异的空间结构涌现。其中的网壳结构则是大跨度空间结构中一种举足轻重的重要结构形式。网壳结构受力主要是曲面内的薄膜力,杆件主要承受轴力,结构受力合理,同时能够很好的适应大跨度且所用材料自重轻,这些特点使得网壳结构在世界范围内得到广泛的应用。但是单层网壳结构的稳定问题尤为突出,所以对网壳结构研究设计时,其稳定问题需要着重研究。网壳结构造型多变体现在其曲面形式的多样,传统的有柱面、球面、双曲抛物面等。本文以蛋圆曲面形式的单层网壳结构为研究对象,采用MATLAB对其等弦长划分,然后采用有限元软件ANSYS对其进行参数化建模,对该结构进行静力和稳定性分析。本文首先对蛋圆曲面进行了基本介绍以及和椭球面的关系;然后将蛋圆曲面单层网壳的两种形式和椭球面单层网壳结构的静力性能进行了对比分析以及参数分析,主要有内力分布、变形规律以及水平支座反力。在对蛋圆曲面单层网壳静力性能了解掌握的基础上,首先仅考虑结构几何非线性,在不同的荷载工况情况下,对结构的屈曲模态进行了分析;随后研究了各类参数对结构稳定性能的影响,其中还包括了蛋圆曲面自带常数k以及长短轴互换对蛋圆曲面单层网壳稳定性能的影响;最后进一步研究了几何非线性和材料非线性同时考虑的双重非线性对结构稳定性的影响。文章最后对蛋圆曲面单层网壳布置了局部双层桁架以加强网壳结构的稳定性,其形式有沿环向布置桁架,沿径向布置桁架;随后将这三类加强方案对结构稳定性的影响进行对比,选出最优布置方案;最后采用最优加强方案建模,研究结构稳定性随着桁架高度变化的规律,优选出最佳高度。本文提出的新曲面形式网壳结构以及对其的稳定性研究,能够为后续的相关研究工作给予一定的理论指导和给工程应用提供一定的依据。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU399
【部分图文】：

古罗马,空间结构

这些平面内来研究；另一部分则无法通过将其分解为平面，这类结构即是为空间结构。空间结构相对于平面结构造型更加丰富，更具表现力，世界各国在各类国际运动会和世博会等上面，纷纷通过空间结构来展示自己国家的建筑科技水平。同时，由于计算机的迅猛发展，使得空间结构的形体可以呈现更为多变的表现，更使得空间结构形体和受力的完美结合成为可能。大跨空间结构的发展历程，可以追溯到目前世界上现存最古老的空间结构古罗马的万神殿（Pantheon），见图 1.1。万神殿的投影平面直径为 48.4 米，与净高43.5 米非常接近，也使得万神殿的剖面刚好可以容下一个整圆。内部无一根立柱，为了减轻屋顶重量，在屋顶上开了很多小格子，越往下越厚，可谓是那个年代的奇迹，持续到 19 世纪末，由于大跨度建筑开始得到迅速发展，作为世界上跨度最大的建筑逐渐被超越。南京无梁殿是我国现存时代最早、规模最大的空间结构，见图 1.2，其始建于明洪武十四年（1381 年），建筑的屋顶的结构为拱券式穹顶，不用梁柱，东西向并列三个拱券，中间的拱券跨度达 11.5 米，净高 14 米。这两个建筑均为中西方现存最古老的空间结构，在无力学与结构理论的指导下，凭借着古人的经验与智慧，完成了这些伟大的建筑艺术。

南京,空间结构,拱券

水晶宫,伦敦

蛋圆曲面单层网壳非线性稳定性研究十九世纪的工业革命促使社会飞速进步，由于铁的重量轻，易于架设，横截小，和砖石厚重的形象形成了鲜明的对比，欧洲兴起了铁建筑。1851 年，在伦举行的第一届国际工业博览会上展示了“水晶宫”，如图 1.3 所示。水晶宫是世上第一座用金属和玻璃建造的大型建筑，在其中央大厅采用了桶形拱顶，由空铸铁柱支撑。

【参考文献】