大跨椭圆形弦支穹顶结构稳定性的参数优化研究
【摘要】 弦支穹顶结构曲面通常较为扁平,而相对于圆形弦支穹顶,椭圆形弦支穹顶的受力特性更为复杂,其稳定性问题值得关注。本文以大跨椭圆形弦支穹顶结构为对象,对其稳定性能进行了参数优化研究。采用非线性屈曲分析方法对结构稳定性进行了系统的参数影响分析,包括:矢跨比、平面形状系数、上部刚性层结构刚度、预应力、撑杆长度、拉索面积及撑杆面积等。分析结果表明:矢跨比、平面形状系数、上部刚性层结构刚度和撑杆长度对结构稳定性
【关键词】 椭圆形弦支穹顶； 非线性屈曲； 稳定性； 参数分析；
摘要
弦支穹顶(suspend-dome)是一种新型复合空间结构体系。它运用整体张拉思想，将单层网壳和预应力拉索巧妙地结合起来。对此类结构以往的研究多限于中、小跨度。本文以一大跨弦支穹顶结构为研究对象，采用通用有限元分析软件ANSYS，分析大跨度弦支穹顶结构的静力特性。主要进行了以下三个方面的工作:
1. 采用ansys有限元软件分别对相同跨度、不同矢跨比做杆件静内力（位移）分析，进行数据对比，通过比较不同矢跨比的杆件静力性能，得出最佳跨度。同时为了便于构件内力和（节点位移）进行比较，需对杆件进行编号。内力对比的话，可以进行以下几种杆件的对比，环向和径向杆件，竖向撑杆等2.考虑初始缺陷的非线性分析
由于实际结构不可避免的存在初始缺陷，且结构平衡位置也在变化，故线性分析不能正确的反应结构的实际受力性能，必须进行结构非线性分析，此处非线性分析只考虑几何非线性，不考虑材料非线性。
活荷载分布形式分为以下三种：活荷载沿全跨分布，活荷载沿短轴，活荷载沿长轴。取前15阶到20阶模态，进行非线性分析。上面3个矢跨比的都要算。引入初始缺陷 1/300 ,1/400一直到1/1200。稳定承载力系数。画出曲线。分析同一初始缺陷情况下，不同矢跨比杆件的稳定情况，也就是弦支穹顶结构的屈曲荷载大小。
得出结论，相比于线性屈曲分析，非线性屈曲分析能够正确的反应结构的稳定性，具有较强的工程借鉴意义。在考虑初始几何缺陷情况下，弦支穹顶屈曲荷载降低，矢跨比越大，影响越小。
3.施工模拟仿真分析
（1）在进行问题的分析之前，首先按弦支穹顶结构的实际施工与计算过程给出以下几个状态的基本定义
a) 零状态：上部网壳（或部分网壳）和下部索杆安装就位但没有进行张拉时的状态；在数值模拟中对应数值模型建立完毕，而未进行计算的状态；
b) 初始态：下部结构张拉完毕后，体系在自重和预应力作用下的平衡状态；在数值模拟中对应数值模型在考虑自重的情况下计算完毕的状态；
c) 荷载态：体系在初始态的基础上，承受其他外荷载时的受力状态；在数值模拟中对应为数值模型在考虑外荷载的情况下计算完毕后的状态。
仿真分析主要包括四部分，上部钢桁架、下部预应力索杆、底部支撑结构，临时支撑胎架。
（2）ansys单元选择。根据结构构件的受力特点，上部钢桁架结构采用link8 单元进行模拟，承受单轴的拉压，具有应力强化、大变形和单元生、死功能，符合结构受力特点、满足施工仿真要求，拉索采用link10 单元进行模拟，link10 单元采用双线性刚度矩阵，不包括弯曲刚度，具有应力刚化、大变形功能和单元生、死功能，可以有效的模拟预应力施工中的拉索构件，底部支撑结构则采用beam4 单元进行模拟，Beam4 是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元，具有应力强化，大变形和单元生、死功能，符合实际情况，满足模拟需要，临时支撑胎架也采用link10 单元，打开只受压不受拉特性来模拟临时支撑胎架的效果。
（3）建模进行分析。
做预应力索的张拉模拟3种预应力方案的模拟仿真a)方案一：预紧一100％设计索力(一阶段张拉)；
b)方案二：预紧一50％设计索力～100％设计索力(两阶段张拉)；
C)方案三：预紧--50％设计索力--90％设计索力--100％设计索力(三阶段张拉)。
本文的研究成果不仅可为实际工程设计提供参考，而且可为完善相关的技术标准提供理论依据。
Abstract
Suspend-dome is a new type of composite space structure system, which is composed of single-layer spherical reticulated shell and prestressed cables. In the past, the research of this kind of structure is limited to medium and small span. In the paper, static characteristics of large-span suspend-dome structure are analyzed by means of the universal finite element software ANSYS. The contents of the research are as follows:
目录
摘要 1
Abstract 2
第1章 绪论 4
1.1弦支穹顶结构的概念和研究背景 4
1.2弦支穹顶结构的分类和特点 4
1.3弦支穹顶结构的发展和应用 5
1.3.1国外发展和应用 5
1.3.2国内发展和应用 5
1.4 国内外研究现状及存在问题 5
1.5本文的主要研究工作 5
1.6研究目的及意义 6
第1章 绪论
1.1弦支穹顶结构的概念和研究背景
弦支穹顶是一种将刚性的单层网壳和柔性索杆体系组合在一起的新型杂交预应力空间结构体系。 典型的弦支穹顶结构体系由上部单层网壳、下部的竖向撑杆、径向拉杆或者拉索和环向拉索组成，其中各环撑杆的上端与单层网壳对应的各环节点铰接，撑杆下端由径向拉索与单层网壳的下一环节点连接，同一环的撑杆下端由环向拉索连接在一起，使整个结构形成一个完整的体系，结构的传力路径也比较明确。在正常使用荷载作用下，内力通过上端的单层网壳传到下端的撑杆上，再通过撑杆传给索，索受力后，产生对支座的反向推力，使整个结构对下端约束环梁的横向推力大大减小。与此同时，由于撑杆的作用，大大减小了上部单层网壳各环节点的竖向位移和变形。
1.2弦支穹顶结构的分类和特点
弦支穹顶体系作为刚柔结合的新型复合空间预应力结构，与单层球面网壳结构及索穹顶结构相比，具有如下特点：
1.从设计角度看，弦支穹顶结构受力合理，效能较高；
2.从施工角度看，施工过程得以简化，对支座环梁要求降低。
1.3弦支穹顶结构的发展和应用
1.3.1国外发展和应用
因其高效的结构效能和优美的建筑效果，20世纪90年代，弦支穹顶概念一经提出，就得以在工程中应用。日本东京于 1994 年3 月建成世界上第一个弦支穹顶结构，光丘穹顶。 继光丘穹顶之后， 1997 年 3 月在日本长野又建成第二座弦支穹顶，聚会穹顶。
1.3.2国内发展和应用
当代中国经济飞速发展，建筑结构新体系层出不穷，出现了弦支穹顶、索膜结构、张弦梁、弦支筒壳等一批新型空间结构体系。
自1993年日本法政大学川口卫教授提出弦支穹顶概念以来，弦支穹顶结构已在国内外10余项大型工程中得到了应用，如天津博物馆、2008北京奥运会羽毛球馆、安徽大学体育馆等。2009 全国运动会的机遇下，弦支穹顶结构成为新结构体系中的一颗明星。
在弦支穹顶结构工程的设计、施工过程中，国内学者就遇到的问题组织了多次专家论证和讨论会，在弦支穹顶结构预应力设计、节点选取、张拉施工模型试验研究等方面积累了大量的经验。
1.4 国内外研究现状及存在问题
国内外对于弦支穹顶的分析均限于某一方面，没有综合从非线性、静力特性以及模拟仿真的角度来进行分析。尤其是对于不同矢跨比的有限元分析较为欠缺。
1.5本文的主要研究工作
本文将对弦支穹顶进行非线性分析，进而分析在考虑初始缺陷情况的非线性分析。本文还将对其静力特性进行分析，最终将应用有限元软件ANSYS对弦支穹顶结构进行仿真施工模拟。
1.6研究目的及意义
本文试图通过对弦支穹顶结构进行有限元分析，分析其非线性特征及静力特征，并对施工过程进行模拟，本文将找出其合适的参数系统。本文将对弦支穹顶结构的改进和提高提供有价值的参考
参考资料：
- [1] 张爱林,刘学春,葛家琪,张宝勤,张晓峰. 2008年奥运会羽毛球馆预应力张弦穹顶结构整体稳定分析[J]. 工业建筑. 2007(01)
- [2] 张明山,董石麟,张志宏. 弦支穹顶初始预应力分布的确定及稳定性分析[J]. 空间结构. 2004(02)
- [3] 陈志华. 弦支穹顶结构体系及其结构特性分析[J]. 建筑结构. 2004(05)
- [4] 崔晓强,郭彦林. Kiewitt型弦支穹顶结构的弹性极限承载力研究[J]. 建筑结构学报. 2003(01)
本文编号：8857
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