索滑移分析的计算理论及其在索杆梁膜结构的应用研究

发布时间：2019-08-02 15:08

【摘要】：索杆梁膜结构是一种依靠预应力产生刚度而成形的张力结构体系。此类结构的构件布置灵活,建筑造型丰富,自问世以来便以巧妙的构思、新颖的造型以及良好的经济效益等优点受到国内外学者的广泛关注。索作为该体系中最为活跃的组成部分,它和其余构件的连接方式也随着结构体系的不断创新而有了很大发展,无论是在施工成形阶段还是在使用过程中均存在连续索可自由滑移的情况。连续索滑移的索杆梁膜结构体系中,索的滑移和索杆梁膜结构的受力变形均是强非线性问题。本文利用有限质点法在结构非线性分析中的独特优势,在课题组已有研究成果的基础上,将有限质点法应用于具有连续滑移索的索杆梁膜结构分析中,通过理论推导提出了适用于有限质点法分析的滑移索单元,并以之作为基本分析手段,对具有连续滑移索的索杆梁膜结构的初始形态和应用性能展开研究。有限质点法是基于向量式固体力学提出的一种有别于传统有限元的新型数值方法。文中简要阐述了该方法的基本原理,包括空间离散的点值描述、时间离散的路径单元描述、控制方程求解、分析流程等概念。对索杆单元、空间梁单元和膜单元的内力求解过程进行了推导,得到构件单元对质点运动的约束力。采用调整质点受力和位移两种方式对结构的边界条件和特殊的质点运动约束条件进行处理。并通过数值算例验证算法的稳定性,为索杆梁膜结构的协同分析奠定基础。基于有限质点法提出一种适用于连续索滑移过程分析及平衡态求解的数值方法。推导了滑移索单元的内力求解公式,给出了滑移索单元对接触点作用力的计算方法,分析了接触点尺寸对滑移索单元内力求解的影响,根据是否考虑接触点尺寸分别制定了接触点和索单元接触关系的判定准则,并阐述了基于有限质点法的索滑移分析流程。根据接触点构造的不同建立两种考虑摩擦的接触点计算模型,并分别给出不同计算模型下的接触点力传递系数求解方法。根据滑移索单元经过接触点的数量,分别推导滑移索单元仅和一个接触点接触以及和多个接触点同时接触时的内力计算公式。结合结构试验模型,对考虑接触点摩擦的连续索张拉进行试验研究,探讨接触点摩擦对索张拉结果的影响。利用有限质点法在结构大变形分析中的优势,将其应用于考虑连续索滑移的索杆梁膜张力结构的初始形态分析上。根据索杆梁膜结构各自的特点,将研究对象分成索杆梁、索膜和索杆梁膜三大类,分别给出切实可行的初始形态分析方法,并建立有限质点法找形找力分析的基本流程。通过数值算例分析来验证考虑连续索滑移的初始形态分析方法的正确性,并总结归纳出连续索滑移对索杆梁膜张力结构初始形态分析的影响。采用本文推导的滑移索单元从静力平衡和动力过程等方面对连续滑移索在索网结构、索膜结构以及索杆梁膜结构中的应用及滑移索对结构性能的影响进行研究。连续滑移索能通过滑移来保证连续索各索段的内力一致,有利于结构在非均布荷载作用下内力分布的均匀性。同时连续滑移索可以改变力的传递方向,引导力在结构内部的流动,优化力在结构内的分布。利用滑移索的这些优点,探讨连续滑移索在新型索杆梁膜结构形式中的可行应用。基于上述理论分析,利用面向对象的程序开发技术编写可考虑连续索滑移的索杆梁膜协同分析程序。该程序集前后处理和分析计算模块于一体,可方便的显示结构变形过程和分析结果,为本文的算例分析提供帮助。通过理论推导、数值计算、试验分析以及程序编制,验证了索滑移分析的有限质点法计算理论的可行性和合理性,进一步完善了有限质点法的理论体系,也给连续索的滑移分析以及索杆梁膜结构的协同分析提供了一种新的思路和求解方法,对连续滑移索在实际工程中的应用和推广具有一定的指导意义。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU399

【参考文献】