超大跨悬挂巨型网格结构优化选型研究

发布时间：2020-03-26 21:10

【摘要】：纵观建筑历史,人类对更大跨度建筑的追求从未停止。特别是最近几个世纪,伴随着高性能材料的应用,建筑物的跨度记录在不断被刷新。但随着建筑结构跨度的逐渐增长,仅仅依靠增大构件截面,提高材料强度,已经不能很好地满足建筑结构安全性和经济性的要求,必须从结构形式上寻求突破。为实现建筑结构千米级的超大跨度,将超大跨度悬索桥与巨型网格结构结合起来,形成了新的结构体系——悬挂巨型网格结构,其受力性能和经济性能值得进一步探究。本课题借助ANSYS有限元分析软件,建立了1000m跨度五种悬挂巨型网格结构的整体参数化模型,并对各结构进行了初始形态分析,较为精确地获得了结构初始形态和悬索内部预应力;在此基础上分析了其在各种荷载工况下的静力性能和稳定性能;对索塔结构部分进行了精细化建模与分析,完善了整体模型;针对悬挂巨型网格结构的几何控制参数进行了优化分析;考查了极端情况下,单根吊索断裂后结构的受力性能。主要研究内容有以下几部分:分析肋环型、两种施威德勒型、凯威特型和三向网格型巨型网格结构的几何拓扑关系,设计了与之对应的悬索布置方案,编制了五种悬挂巨型网格结构自动化、参数化建模程序,并通过对悬挂巨型网格结构进行初始形态分析,获得了上部悬索结构的初始形态和初始内部预应力,为进一步分析提供了条件。分析了各结构在12种荷载工况下的静力受力性能,获得了该类结构的控制荷载工况;研究了荷载不对称分布对该类结构受力性能的影响;通过对结构进行荷载-位移全过程分析,考查了该类结构的稳定性能。对索塔进行精细化建模,并通过对塔柱倾斜程度、横梁布置数量及位置和塔柱横梁刚度比等重要参数进行参数分析,对索塔形式进行了优化分析。设计出一种经济适用的索塔形式,对比分析了索塔模型细化前后悬挂巨型网格结构的受力性能。针对悬挂巨型网格结构的几何控制参数,如下部巨型网格结构的矢跨比和分割数、立体桁架的高跨比等,分析得到了结构的静力性能随之变化的规律,总结得出了悬挂巨型网格结构设计参数的合理取值范围。对比了不同跨度下各种结构形式的静力性能和经济性能,提出了各种结构形式的适用跨度范围。利用静态和瞬态分析方法,对比分析了极端情况下单根吊索断裂后,该类结构的整体受力性能。
【图文】：

穹顶,代表性

让建筑物实现更高高度、更大跨度有了可能。1957 年，为举办 1960 年奥运会而兴建的罗马小体育宫（图 1-1a）是一座钢筋混凝土建筑，设计师奈尔维成功地将薄壳穹顶和“Y”型支撑结合在一起，跨越了 60m 的距离；日本福冈体育馆（图 1-1b），其可开合屋盖采用的是双层网壳结构，实现了美观和功能的统一。近二十年来，空间钢结构凭借其轻盈多变的外形，备受建筑师和结构工程师的青睐。千年穹顶（图 1-1c）用 12 根近百米高的钢桅杆，通过拉索将下部的膜结构屋盖拉起，造型独特别致；1996 年奥运会主会场亚特兰大体育场（图 1-1d），采用改良的索穹顶体系，堪称经典；南京奥体中心体育场（图 1-1e）和新温布利足球场（图 1-1f）不约而同地利用钢拱架将下部屋盖结构悬吊起来，实现了建筑 300m 的跨度[1]。a) 罗马小体育宫 b) 福冈体育馆 c) 千年穹顶

穹顶,概念设计

能源环境问题越来越受到人们的重视，，适合人类居住、能够抵恶劣环境、低碳环保绿色的小型城市穹顶进入了建筑师和结构工程师的视野，始走上历史舞台。目前，已经有一些国外学者从城市穹顶这一概念出发，提出一些设计创意[5]，如图 1-2 所示。1968 年，美国工程师 Fuller 提出可以在纽约曼顿街区上空建造超大跨度短程线型穹顶，跨度达到 3200m，借此改善当地的气候解决当地的环境问题；1971 年，德国工程师 Frei Otto 提出可以在北极建设跨2000m 的充气穹顶，用以北极科考。此外还有一些著名的城市穹顶设想，这些想为建设超大跨空间结构提供了可能，但距离实现这一目标还有很长的路要走。a) 曼哈顿穹顶 b) 北极充气穹顶
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU351

【相似文献】