荷载缓和体系中缓和装置及其计算理论的研究

发布时间：2020-07-29 17:57

【摘要】：荷载缓和体系(Load Relieving System)是一种新颖的概念，通过在结构中引入一种可动装置，达到自我调节和自我保护的目的。其受力不同于一般的刚性结构，也不同于通常的柔性结构。本文主要以总结已有荷载缓和体系的研究成果为基础，结合机械学的理论，对实现荷载缓和的装置进行了创新研究，并发展了荷载缓和体系的计算方法，拓展了荷载缓和体系理论的外延。本文在综述现有荷载缓和体系的形式、理论及其计算方法的基础上，结合机械学中的经典机械模型，对荷载缓和体系的荷载缓和装置进行了创新研究：同时对荷载缓和体系的计算方法，主要是力密度法和多次加载非线性有限元法进行了研究和算例验证。主要包括的内容如下：提出了实现荷载缓和的几种装置形式：四连杆装置、螺旋压榨装置、弹簧装置、结构体装置和智能材料SMA装置等形式。并对其中的弹簧装置进行了弹簧杆结构和弹簧铰结构以及弹簧—四连杆结构的算例分析。力密度法是在离散后结构各杆件的几何拓扑、设定的力密度值和边界节点坐标基础上，建立关于节点坐标的线性方程组，然后进行迭代计算求解。算例表明该方法计算速度快，同时可以人为控制计算收敛精度，但该法对于复杂荷载缓和体系前期处理工作量仍较大。本文提出基于通用有限元程序的多次加载非线性有限元法。通过对单元参数的修改，多次分步加载并修正结构几何模型，以求得最终结构形状。多次加载非线性有限元法只要保证所考虑的索单元内力恒定，则有理由确信结构只发生了刚体位移，实现了单元内力不变而自由伸长这一特性，因此也就实现了对荷载缓和体系的受力分析。算例表明，多次加载非线性有限元法能够有效解决荷载缓和体系的计算，但是其中的参数处理、准确性的界定等问题仍需完善。本文详细阐述了弹簧这种材料特性，讲述了其在荷载缓和体系中的三种应用(弹簧杆结构、弹簧铰结构和弹簧—四连杆结构)，并对其中的弹簧杆结构和弹簧—四连杆结构进行了受力及性能分析。计算结果表明：弹簧杆结构进行了向下荷载作用下各单元内力变化与刚性杆基本相同(有时还略大)：在向上荷载作用时结构中虽然发生了很大的位移，但是其内力基本变化不大。因此说明弹簧杆结构在向上荷载时，具有很好的荷载缓和功能。针对弹簧杆结构内力分析的结果，本文提出弹簧杆结构应用的前提条件：当假设外荷载所对应的虚位移发生时，相应的结构应更有利于承担原来的外荷载。弹簧—四连杆结构是机械学与结构静力学的综合应用，其运动分析可以参照机械学中机构分析方法，静力分析可以采用静力平衡关系进行分析。经本文参数分析，在转角仇=1300时，结构具有较大的外荷载调节范围，相应的k取 100kN/弧度。论文最后对上述研究内容及成果作了简单的总结，并展望进一步研究的方向和需要进行的工作。关键词:荷载缓和体系;缓和装置;力密度法;非线性有限元法;弹簧杆结构: 弹簧铰结构;弹簧一四连杆结构么
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：TH123.1
【图文】：

柏林,玻璃幕墙,转置

第九届全国运动会开幕式上采用了一个悬吊结构体系的体育场火卜承重索;2一从带;3一稳定素;4一翰气管道炬[9](如图2一2)，该火炬由四图2一2第九届全运会开幕式火炬根采用配重加滑轮的处理方法，可以有效地减小承重索的拉力，继而减轻对屋盖结构的影响。处理之后的结构既满足了功能要求，又造型优美，给广大观众留下了深刻印象。图2一3a柏林sonyeenter玻璃幕墙图2一3b柏林sonyeenter玻璃幕墙底部缓冲转置荷载缓和的概念也有应用于国外的实例，如德国柏林的索尼中心(SONYCenier)的玻璃幕墙【川(如图2一3a、b)，就是将四根弹簧组合一起连接于抗风拉索的底部，从而减小竖索中的风荷载拉力，以缓和风荷载对顶部支撑边的作用。针对大跨度结构跨度大，温度内力影响大，而提出的“可呼吸结构”[I3]也是荷载缓和的一个广义上的应用。可呼吸结构是由人的呼吸系统引申来的

荷载缓和体系中缓和装置及其计算理论的研究

a可呼吸

板铰,荷载缓和体系

第二章荷载缓和体系的研究2005浙江大学硕士学位论文4a、b)。“可呼吸结构”已经应用于实际工程中，建成的天津博物馆就采用这种技术，通过设置的板铰节点既能很好的承担竖向荷载和水平荷载，又能很好的释放温度应力。“可呼吸结构”通过设置的板铰节点使结构产生变形及位移，但这个位移量也还是属于通常的几何非线性范畴，因此与荷载缓和体系有所区别;同时，“可呼吸结构”是通过对节点进行处理，相当于部分释放约束，而荷载缓和体系既可以在节点设置缓和装置，也可以整个结构进行荷载缓和，因此从这种意义上来说，荷载缓和体系比“可呼吸结构”有更大的发展前途。

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