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基于性能的空间网壳结构设计理论研究

作　者: 杜文风
导　师: 董石麟；高博青
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 空间网壳结构基于性能的设计动力失效机理动力失稳动力强度破坏破坏等级划分寿命周期总费用投资-效益准则满应力调控法最优目标可靠指标
分类号: TU399
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

随着空间网壳结构向着跨度更大、体系更复杂、设备更昂贵、影响更深远的方向发展，结构在地震、台风等灾害作用下产生的经济损失日益巨大，这一新特征已引起许多学者的广泛关注和深刻反思。本文针对上述问题，从基于性能的设计思想出发，综合空间网壳结构的具体特点，动力失效理论和基于概率的荷载及组合理论，建立了基于性能的空间网壳结构设计理论研究框架，并进行了深入研究。空间网壳结构动力失效理论和基于概率的荷载及组合理论是实现性能化设计的基础。本文在现有成果的基础上，对网壳结构动力失效理论作了进一步研究。阐述了网壳结构动力失稳和动力强度破坏这两种可能的失效机理；针对动力失稳，提出了一种新的判定准则-应力变化率准则；针对动力强度破坏，提出了能量与变形的双控准则，并给出了动力破坏指数这一新的指标。对不同跨度、不同矢跨比的单层Keiwitt型网壳结构的动力失效全过程、失效机理和失效特征进行了数值计算和深入分析，通过理论研究和前人试验结果，将单层Keiwitt型网壳结构的动力破坏程度划分为基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、倒塌五个状态，并建立了相应的分界指标。本文在前述研究成果的基础上，对空间网壳结构的寿命周期总费用评估和基于投资-效益准则的优化设计方法进行了深入的研究。通过分析网壳结构的组成、材料单价，建立了网壳结构初始造价的计算模型。针对现有网壳结构维护费用的调研，建立了计算维护费用的数学模型。在深入研究网壳结构动力失效理论的基础上，结合工程价值、社会价值等多角度的分析，建立了失效费用的计算方法。在此基础上应用APDL语言编制了基于ANSYS的网壳结构寿命周期总费用的计算流程和应用程序。本文分析了空间网壳结构基于投资-效益准则的非线性、多变量、少约束、离散变量的优化设计特征，并且证明了在用钢量相同的情况下，按满应力原则配置的空间杆系结构的刚度最大，进而提出了综合考虑结构初始造价、维护费用及失效后果的全局优化设计的满应力调控法。该方法通过引入调控系数λ来调控满应力设计时的控制应力，并获得分别取不同的调控系数时按照满应力设计的结构配置方案，再计算这些结构配置方案的寿命周期总费用，最后从中选择最小者即为最优方案。应用上述寿命周期总费用的应用程序和满应力调控法便可计算获得以寿命周期总费用最小为优化目标的空间网壳结构，以及相应的最优目标可靠指标、目标控制位移、最优矢跨比等参量。本文应用上述理论研究成果对单层Keiwitt型网壳结构进行了全面分析，并同现行规范设计方法进行了比较，提出了基于性能的结构重要性系数的概念，并在大量数值分析的基础上给出了基于性能的单层Keiwitt型网壳结构重要性系数的参考数值。在现行设计方法中使用基于性能的重要性系数，可实现性能化设计与现行规范方法的有效结合。本文将基于性能的设计思想引入到空间结构领域，并进行了探索性的研究，得到了一些有益结果和结论。这些研究成果可供实际工程、现行规范和进一步研究参考，同时为网壳结构全面实现性能化设计提供了有价值的依据。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 空间网壳结构的应用广泛性和重要性  11
  1.2 空间网壳结构的现行设计方法及存在的问题  11-13
  1.3 基于性能的设计思想的提出  13-14
  1.4 基于性能的设计理论研究现状  14-15
  1.5 基于性能的空间网壳结构设计理论研究的意义  15
  1.6 本文的研究方案及主要内容  15-17
  参考文献  17-19
第二章空间网壳结构基于性能化的设计理论框架  19-32
  2.1 概述  19
  2.2 基于性能设计的基本思想  19-21
  2.3 投资-效益准则  21-22
  2.4 寿命周期总费用  22-24
  2.5 基于性能的空间网壳结构设计理论的研究框架  24-27
  2.6 本章小结  27-28
  参考文献  28-32
第三章网壳结构的动力失效机理及破坏等级划分  32-67
  3.1 概述  32
  3.2 网壳两种可能的动力失效机理及研究现状  32-34
  3.3 判别杆系结构动力失稳的应力变化率法  34-38
    3.3.1 应力变化率准则提出的依据  34-35
    3.3.2 结构动力稳定分析  35-38
  3.4 网壳结构动力强度破坏的双控准则  38-47
    3.4.1 结构耗能机理  38-40
    3.4.2 动力强度破坏的双控准则  40-41
    3.4.3 单层球面网壳结构的动力破坏分析  41-47
  3.5 网壳结构动力失稳与动力强度破坏的进一步讨论  47-61
  3.6 破坏等级划分及相应分界指标  61-63
    3.6.1 试验现象的总结  61-62
    3.6.2 破坏等级划分及分界指标的建立  62-63
  3.7 本章小结  63-65
  参考文献  65-67
第四章网壳结构寿命周期总费用的计算方法研究  67-95
  4.1 寿命周期总费用  67
  4.2 初始造价模型  67-70
  4.3 维护费用计算模型  70-74
  4.4 失效损失费用  74-79
  4.5 间接失效损失影响系数B  79-80
  4.6 基于模糊理论的隶属度函数  80-81
  4.7 荷载作用下的结构失效概率  81-83
  4.8 寿命周期总费用的计算流程  83-85
  4.9 寿命周期总费用计算算例  85-92
    4.9.1 结构模型及初始条件  85
    4.9.2 按照现行规范设计方法进行设计  85-86
    4.9.3 寿命周期总费用计算  86-89
    4.9.4 方案调整并计算寿命周期总费用及比较  89-91
    4.9.5 结果讨论  91-92
  4.10 本章小结  92-93
  参考文献  93-95
第五章基于投资-效益准则的网壳结构优化算法研究  95-118
  5.1 网壳结构的优化设计模型  95-96
  5.2 满应力调控法  96-106
    5.2.1 满应力调控法的基本思想  96-97
    5.2.2 按满应力设计原则配置的杆系结构刚度最大  97-106
    5.2.3 满应力调控法的步骤  106
  5.3 应用满应力调控法进行网壳结构优化设计的算例  106-110
    5.3.1 结构模型  106
    5.3.2 优化设计分析  106-108
    5.3.3 结果分析与讨论  108-110
  5.4 基于投资效益准则的网壳结构最优可靠指标的计算  110-114
    5.4.1 蒙特卡罗法  110-113
    5.4.2 网壳结构最优可靠指标计算  113-114
    5.4.3 结果分析与讨论  114
  5.5 本章小结  114-115
  参考文献  115-118
第六章基于性能的单层keiwitt型网壳结构重要性系数  118-137
  6.1 概述  118
  6.2 单层keiwitt型网壳结构分析  118-125
  6.3 参数讨论  125-132
    6.3.1 最优矢跨比  125-127
    6.3.2 跨度对单位面积寿命周期总费用的影响  127-128
    6.3.3 经济控制位移  128-129
    6.3.4 最优目标可靠指标  129-131
    6.3.5 地震设防烈度影响  131-132
  6.4 基于性能的单层keiwitt型网壳结构重要性系数  132-135
  6.5 本章小结  135-136
  参考文献  136-137
第七章结论与展望  137-141
  7.1 本文主要结论  137-139
  7.2 进一步工作的展望  139-141
致谢  141-142
作者近五年发表和录用的论文  142

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