800米超大跨凯威特巨型网格结构的力学性能研究及优化

发布时间：2020-11-05 15:50

　　 随着社会的快速发展,人们对大跨度结构的需求日益增加。目前,跨度在150m以上的大跨度建筑结构已不在少数,300m以上的也已经有了许多成功案例。但人类对更大跨度结构的追求从未停止。中国建筑总公司目前已经提出并开始设计的城市穹顶跨度为800m,拟建于北方寒冷城市。本文以800m超大跨凯威特巨型网格结构为研究对象,主要开展了以下几方面研究工作:(1)以ANSYS中的APDL参数化设计语言为工具完成了结构有限元模型的建立,采用满应力法和一维搜索法相结合的方法对单根杆件的截面进行了优化,得到了满足强度、刚度和杆件稳定性的结构,并对各工况下结构的内力图和位移图进行了分析,总结了超大跨凯威特巨形网格结构的受力特点,为该结构的工程应用奠定了理论基础。(2)使用ANSYS中的屈曲分析模块对结构进行了线性稳定性分析,得到了结构的屈曲荷载和屈曲模态;采用弧长法对结构进行了非线性稳定性分析,并逐步考虑了几何非线性、初始几何缺陷和材料非线性,得到了结构在各种情况下的全过程荷载-位移曲线,计算了各种因素对结构极限承载力的影响系数,分析了影响系数的变化规律,并和传统跨度结构的影响系数进行了对比;深入分析了该结构的弹塑性失稳模式,对该结构的破坏机理进行了探讨。(3)使用复合形法对结构的几何参数进行了优化,得到了线性稳定性安全系数较高的结构,并对该结构进行了弹塑性全过程分析;对优化过程中映射点、复合形最坏点和最优点的变化情况进行了分析,总结了各参数和结构响应的变化规律,同时根据超大跨凯威特型巨型网格结构和复合形法的特点提出了能够消除无用计算的双重条件来判定优化是否收敛。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TU399
【部分图文】：

公元125年建成的古罗马万神庙跨度为43.5m，其结构形式为砖混结构穹顶，如图1-1 a)所示。将近两千年后，1957年建成的小罗马体育宫跨度为60m，其结构形式为钢筋混凝土网壳，如图1-1 b)所示。在如此漫长的岁月中，受制于建筑的材料、结构体系和理论计算水平，建筑结构跨越能力的提高非常缓慢。a) 古罗马万神庙 b) 罗马小体育宫 c) 英国伦敦千年穹顶d) 日本福冈穹顶 e) 中国国家体育场 f) 重庆奥体中心体育场图1-1 代表性空间结构建筑近三十年来，随着新的材料、新的工艺、新的技术和新的结构形式不断涌现，在相对比较成熟的结构分析理论支撑下，目前世界上跨度在150m以上的大跨度结

共建筑陆续建造。目前，我国已经具备了设计建造跨度达300m以上空间结构的能力：2008年建成的国家体育场“鸟巢”，它的长轴为332.3m，短轴为296.4m，巨大的箱形截面桁架构成其结构主体，如图1-1 e)所示； 2004年建成的重庆奥体中心袁家岗体育场，上部拱桁架跨度达到312m[3]，如图1-1 f)所示。早在二十世纪六十年代，来自美国、欧洲与日本等发达国家和地区的学者就开始对超大跨度城市穹顶方案展开研究，并提出了一些概念性的设计方案，其中部分方案得到国际同行的认可[4]，具体方案如图 1-2 所示。a) 曼哈顿穹顶 b) 北极之城

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文覆盖曼哈顿岛的 40 多个街区，结构概念方案如图 1-2 a)所示。1971 年，Otto 提出了一个直径 2000m 的充气结构，如图 1-2 b)所示。该结构计划建在北极，用来改变常驻北极人员的生存和工作环境。为了抵抗飓风和热浪的，美国的工程师提出了一种跨度为 1600m、高度为 450m 的休斯敦城市穹顶，如图 1-2 c)所示。美国的一家索膜结构设计与安装公司提出了一种跨度高达 1931m 的拱桁架城市穹顶，如图 1-2 d)所示。该结构分为两级，第一级由沿径向的巨形拱桁架组成，第二级由轻型的索膜结构组成，镶嵌在巨形拱桁架之间。目前我国规划中的城市穹顶已经进入了研究阶段，中国建筑总公司目前已经提出并开始设计的城市穹顶跨度为 800m，如图 1-3 所示，拟建于北方寒冷城市，建筑的内部有海洋、沙滩和多座功能性建筑。本课题《800m 超大跨凯威特巨型网格结构的力学性能研究及优化》来源于国家自然科学基金青年基金项目（项目编号 5150081191），主要是为超大跨城市穹顶设想的实现做准备工作。
【参考文献】

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4 王庆;六种典型双层球面网壳参数化建模及形状优化设计[D];山东建筑大学;2012年

本文编号：2871853