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大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的性能研究

作　者: 高博青
导　师: 董石麟
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 悬臂型张弦梁非线性性能抗震性能试验研究体育场挑蓬结构静力性能拉索简捷计算法动力稳定性失稳机理敏感度分析
分类号: TU399
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

体育场挑蓬结构由于其自身的特性，在结构布置、建筑形式等受到很多限制。索、杆、梁组成的杂交结构是一种十分活跃的结构体系，利用该体系的特性，构造出使环境、功能、结构相协调的体育场挑蓬结构，并对其性能加以深入研究，无疑是有意义的。本文利用张弦梁原理，给出了一种大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构，该种体育场挑蓬结构新颖，充分利用了拉索和立体桁架受力的特点，使得结构受力更加合理，避免了柱子承受较大的弯矩，上弦索的预张力和圈梁使结构共同作用抵抗上下荷载，更体现了结构的巧妙和良好的空间受力性能。对拉索的计算方法进行了探讨，利用弯矩分配的思想，提出了一种拉索的简捷计算方法-拉力分配法。该方法具有概念清晰、计算方便的特点，与冷冻-升温法相比，无须确定β值，并且“分配系数”明确。算例表明，本文方法与冷冻-升温法计算结果一致。对大型环状悬臂型挑蓬结构非线性分析表明，结构具有极强的抵御均布荷载和不对称荷载的能力。对结构几何参数分析表明，外圈与最外圈距离R的尺度应有一定要求，以保证结构的刚度；随着内圈与外圈曲线方程高差H的增大，刚度会得到提高；当内外高差较大时，结构呈现出线性特性，因此结构不易发生屈曲现象；外椭圆长短轴的尺度对结构非线性性能的影响十分敏感，随着跨度的增加，结构表现出强非线性特征，反之结构呈现线性特征。通过对大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构动力特性分析表明，该结构的刚度介于刚性结构与柔性结构之间，频谱比较密集，以竖向振动为主，同时伴有张弦梁侧向振动和扭转振动。从计算结果看，结构的动位移与输入的地震波方向及维数有关。输入x方向的地震波，在结构两个对称面上的节点沿y方向的动位移几乎为零，当输入三维地震波时，y方向的动位移则明显增大，达到与x方向同一量级，因此，对结构动力响应分析时，应输入多方向地震波，才能真正掌握结构的响应。纵观时间位移历程图可以看到，相位差对该结构的影响是明显的，对这种大跨结构宜考虑相位差的影响。结构本身初始预应力的变化对结构的动力响应没有太大的影响。应用小波理论将复杂荷载信号变成简单荷载信号并应用于结构的动力稳定性分析，通过对歌德斯克穹顶网壳结构的动力稳定性分析表明，该结构发生动力失稳时具有突变的跳跃现象，并伴有多次动力失稳发生。结构的荷载一位移曲线与荷载一应变能曲线具有一致性，都能体现结构的动力变化过程和解释动力失稳的现象。结构振动和动力失稳的过程是能量储存、释放和转移的过程。结构的刚度分布会影响结构的动力稳定性。对悬臂型张弦梁挑蓬结构的动力稳定性分析表明，在阶跃荷载作用下，当结构荷载达到IOkN时，短轴各点的位移随着荷载的增加而迅速增大，呈现出一种发散和跳跃的趋势，此时的荷载开始进入非线性动力失稳区域。通过谐响应分析，强烈的动力响应都发生在结构的共振频率附近。在地震荷载作用下，当采用梁单元计算竖向撑竿时，结构有较好的抗动力失稳的能力。通过正交设计方法的分析，对大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构敏感度分析，得到影响该结构敏感度的主要因素。通过对悬臂型张弦梁挑蓬模型试验研究，对该结构的静动力特性、施工方法有了定性的认识，同时表明本文给出的结构形式是切实可行的，同时获得了结构静力、动力特性参数，与理论计算结果基本一致。住

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-24
  1.1 索杆梁结构及其发展现状  10-12
  1.2 体育场挑蓬结构的发展趋势  12-20
  1.3 索杆梁张力体系与体育场挑蓬结构  20-21
  1.4 本文主要工作  21-22
  参考文献  22-24
第二章大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的静力性能  24-38
  2.1 概述  24
  2.2 一种新型体育场挑蓬结构-大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构  24-28
  2.3 大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的力学特性  28-30
  2.4 大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构参数分析  30-36
  2.5 本章小结  36-37
  参考文献  37-38
第三章大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的几何非线性性能研究  38-69
  3.1 非线性问题概述  38-40
  3.2 基于U.L描述的几何非线性梁单元计算模型  40-42
  3.3 索单元计算模型及分析方法  42-43
  3.4 一种滑移索的简捷计算方法  43-48
  3.5 大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的几何非线性性能  48-50
  3.6 大型体育场挑蓬结构几何非线性性能参数分析  50-60
  3.7 本章小结  60-61
  附录1: 索承网壳结构的命令流  61-63
  参考文献  63-69
第四章大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的抗震性能分析  69-99
  4.1 引言  69-70
  4.2 基本理论  70-72
  4.3 大型环状悬臂型张弦梁挑蓬结构的自振特性  72-75
  4.4 不同维数地震波激励下对结构的动力响应  75-81
  4.5 考虑地震波行波效应对结构动力响应的影响  81-86
  4.6 不同方向的地震波激励对结构动力响应的影响  86-91
  4.7 索的不同预应力水平对结构动力响应的影响  91-97
  4.8 本章小结  97
  参考文献  97-99
第五章悬臂型张弦梁挑蓬结构的动力稳定性  99-136
  5.1 概述  99
  5.2 动力稳定性及其研究现状  99-104
  5.3 随机荷载信号的小波分解  104-110
  5.4 EL Centro地震波的小波分解及算例验证  110-113
  5.5 动力稳定性算例分析  113-130
  5.6 本章小结  130-131
  参考文献  131-136
第六章悬臂型张弦梁挑蓬结构的敏感性分析  136-148
  6.1 概述  136-137
  6.2 正交设计方法  137-139
  6.3 算例分析  139-146
  6.4 结论  146
  参考文献  146-148
第七章模型试验研究  148-160
  7.1 概述  148
  7.2 结构形式及材性试验  148-151
  7.3 模型静载试验  151-155
  7.4 结构模型自振特性试验  155-158
  7.5 结论  158-159
  参考文献  159-160
第八章结论与展望  160-164
  8.1 本文主要结论  160-162
  8.2 展望  162-164
致谢  164-165
作者近期发表的论文  165

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