折展环形张拉整体桥梁结构性能分析

发布时间：2020-05-08 02:36

【摘要】：张拉整体结构因其在工程应用中表现出的优势,从出现到发展至今一直被广为关注,成为结构研究的前沿。本文在前人的研究基础上,运用非线性力学分析、数值模拟、有限元分析和过程控制优化等方法,对折展环形张拉整体桥梁的形态问题、折展性能和折展过程控制进行研究。梳理了张拉整体结构找形理论,重点研究了张拉整体结构的力密度找形方法,并对结构的拓扑矩阵和力密度找形求解公式做了推导;运用力密度法对张拉整体结构N_(15)S_(15)C_(30)做了找形研究,求解力密度以寻找单元体杆件间的逻辑关系。简述了张拉整体结构稳定性判定理论,利用MATLAB将公式程序化,运用这些稳定性判定理论对折展环形张拉整体桥梁进行了稳定性分析,并对比不同判定理论的方法和判定结果,从中寻找适合判定折展环形张拉整体结构的理论方法。以折展环形张拉整体桥梁的折展性能分析为目的,理论推导了张拉整体结构N_(15)S_(15)C_(30)的折展过程索杆运动方程;运用MATLAB对得到的N_(15)S_(15)C_(30)单元体的索杆折展运动方程中需求未知量做曲线拟合,寻找公共解,再利用寻优手段找到最优的路径,同时利用Maple软件的符号函数推导性能,验证结构的折展过程和运动方程曲面拟合结果的正确性;对张拉整体结构N_(15)S_(15)C_(30)的折展构型运用有限元软件ANSYS建模分析,并利用AutoCAD的碰撞检查功能验证杆件碰撞;对桥梁结构荷载态静力学性能进行分析,得到桥梁跨度确定原则;利用ANSYS瞬态动力学分析得到桥梁结构的折展构型。对折展环形张拉整体桥梁折展过程控制研究,首先明确折展过程控制目标和控制方式,对折展相合性的影响因素及影响程度分析;然后是桥梁折展相合性研究,利用施加导引索方式对折展过程控制进行优化;最后是研究桥梁控制构型的锚固索角度对结构的影响。
【图文】：

图 1-1 Snelson 的双 X 模型 图 1-2 Needle Tower 张拉整体结构研究综述.1 张拉整体结构找形与稳定性研究现状张拉整体结构构型经过找形确定，找形其实是通过找形理论计算确定张拉需要满足自平衡的稳定构型的过程，对于张拉整体结构而言，找形是需要的问题，张拉整体结构具有三个状态，即未施加预应力的零状态、施加预始态和荷载作用下的荷载态。张拉整体结构发展早期，Fuller[1]、Snelson[2多面体几何学的知识来寻找合适的构型。Pugh[13]总结几何学找形得到的张构并归为 Z 形、环形和钻石形三类。Connelly 和 Terrell 等总结出张拉整体分析方法的计算分析思路。Motor[7]345-349应用 Maxwell 理论重点研究了平整体结构体系的形态问题，提出张拉整体结构的稳定构型是几何体的某一

Boeck[36]关于杆系桥梁的研究，，由工程师 MacDonald 制定建造方案，该桥并非传统概念的张拉整体桥梁，虽然仅属于类张拉整体结构，但其设计理念却在很大程度上体现了张拉整体的构型思想。建筑师 Hollander 于 1998 年在荷兰的皮尔默伦德建造了一座张拉整体桥梁，桅杆和甲板不是直接相连的，而是由受预应力的拉索支撑。2002 年，在华盛顿国家博物馆大厅建造由 Wilkinson Eyre 和 Arup 设计的一座连接不同画廊的张拉整体桥梁（图 1-4），延续着张拉整体思想在桥梁上的应用。Jauregui 概述了张拉式结构及其在建筑学上的应用，提出了关于张拉整体在土木工程中进一步应用的建议是提出一个由几个单一张拉整体单元体模块组成的张拉整体桥梁，他将这座桥描述为一个短跨度的轻量级模块化设计，这种结构可以作为两个建筑之间的连接单元使用，在现有建筑物的情况下，张拉式独立结构可能具有保持现有结构完整而不需要加固的重要优势。Micheletti[37]研究小组提出了一个由张拉式模块组成的人行天桥方案，人行天桥结构是基于一系列基础的张拉整体单元，如使用“扩展的八面体”单元，通过单元体的拼接，形成了一个足以供人通过的正方形构型，成为张拉整体桥梁应用的又一重要形式。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U441

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本文编号：2653970