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鸟巢型索穹顶结构的理论分析与试验研究

作　者: 包红泽
导　师: 董石麟
学　校: 浙江大学
专　业: 结构工程
关键词: 鸟巢型索穹顶结构张拉整体结构不跳格布置跳格布置简捷计算方法预应力分布静力性能自振特性地震响应时程分析
分类号: TU399
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

索穹顶结构主要是由拉索和压杆所组成的柔性张拉整体结构，依靠施加预应力提供结构刚度，且具有重量轻、跨度大及建筑形态丰富多样等特点，是代表了大跨空间结构较高水平的结构形式。目前国内外研究的索穹顶结构形式主要有：Geiger型和Levy型两种，且国际上已在工程中应用，积累了较丰富的理论及实践经验。本文所研究的鸟巢型索穹顶结构，是一种特殊形态的索穹顶结构形式，目前未有相关研究文献记载。本文将结合鸟巢型索穹顶结构的形态构成，从理论和试验两方面，对其初始预应力分布、静动力特性、地震响应分析、施工成形方法等进行了系统研究和深入分析，最后设计加工了模型，进行试验验证。首先，本文在查阅国内外相关文献的基础上，回顾了索穹顶结构的发展历史、工程实践应用、国内外主要的研究现状，结合鸟巢型索穹顶结构的特点，明确了本文的主要研究内容。第二章分析了鸟巢型索穹顶结构的几何构成特点，提出了除不跳格布置结构形式外，还可根据受力特性的要求跳格设置环索及竖杆，即跳格布置结构形式，由此可调节网格布置的疏密度，并优化杆件内力分布。在此基础上提出了初始预应力分布的简捷计算方法，推导了预应力显示表达式。通过算例计算并与电算结果的对照分析，表明该方法是精确、可行的，既可方便有效应用于工程实践，又可作为理论分析的有益补充。鸟巢型索穹顶结构的静力性能分析是研究、评价结构体系性能的重要内容和基础。本文第三章就鸟巢型索穹顶结构跳格布置与不跳格布置两种形式，对索杆构件在满跨荷载、半跨荷载作用下的受力及变位进行了分析研究，同时考虑预应力变化对受力性能的影响。第四章分析研究了鸟巢型索穹顶结构跳格布置与不跳格布置结构的自振频率及振型分布特点，同时就体系的预应力水平及环索截面大小对动力性能的影响也做了计算与分析，研究表明体系整体刚度良好，跳格布置较之不跳格布置结构刚度有所减弱。第五章对鸟巢型索穹顶结构跳格布置与不跳格布置两种形式的地震响应，包括构件的内力和节点的变位作了时程分析研究，同时分析了预应力对结构抗震性能的影响，研究表明结构整体抗震性能良好。索穹顶结构的施工张拉成形是决定结构体系受力性能的重要环节之一，本文第六章采用动力松弛法对鸟巢型索穹顶结构的多种张拉成形方法进行了详细探讨与研究，对施工过程进行了跟踪和模拟，分析了各施工成形方法的特点。第七章结合本文的理论研究设计加工了直径为5.0米的鸟巢型索穹顶结构模型，通过测试结构的预应力分布、在多种荷载工况作用下的响应分析、多种预应力状态下的自振频率测试，同时模拟了施工成形方法，通过模型试验的测试分析验证了理论研究的正确性，且分析说明了产生试验误差的原因。论文最后对本文的研究成果进行了总结，并提出了今后的研究方向。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-23
  1.1 大跨空间结构形式概论  10
  1.2 索弯顶结构的发展及工程实践  10-14
  1.3 索弯顶结构的研究现状  14-17
    1.3.1 结构体系形态分析  15
    1.3.2 结构体系的受力性能分析  15-16
    1.3.3 施工成形分析  16
    1.3.4 结构模型试验分析  16-17
  1.4 本文主要研究内容  17-19
  参考文献  19-23
第二章结构初始预应力分布的简捷计算方法  23-33
  2.1 引言  23
  2.2 结构的几何构形分析  23-24
  2.3 计算模型  24
  2.4 初始预应力分布分析计算  24-27
  2.5 两种结构形式的算例分析  27-31
  2.6 本章小结  31-32
  参考文献  32-33
第三章结构体系的静力性能分析  33-44
  3.1 引言  33
  3.2 计算理论  33-34
  3.3 不跳格布置结构形式的静力特能分析  34-38
    3.3.1 不跳格布置结构在满跨均布荷载作用下的静力计算  34-36
    3.3.2 不跳格布置结构在半跨均布荷载作用下的静力计算  36-37
    3.3.3 预应力对不跳格布置结构形式静力性能的影响  37-38
  3.4 跳格布置结构形式的静力特性分析  38-42
    3.4.1 跳格布置结构在满跨均布荷载作用下的静力计算  39-40
    3.4.2 跳格布置结构在半跨均布荷载作用下的静力计算  40-41
    3.4.3 预应力对跳格布置结构形式静力性能的影响  41-42
  3.5 本章小结  42-43
  参考文献  43-44
第四章结构自振特性分析  44-55
  4.1 引言  44
  4.2 模态分析  44-45
  4.3 子空间迭代法求解步骤  45-46
  4.4 频率分布及预应力影响分析  46-47
  4.5 不跳格布置结构形式的振型模态分析  47-49
  4.6 跳格布置结构形式的振型模态分析  49-51
  4.7 环索截面大小对结构性能的影响分析  51-53
  4.8 本章小结  53-54
  参考文献  54-55
第五章结构抗震时程分析  55-70
  5.1 引言  55
  5.2 时程分析的计算方法  55-57
  5.3 结构地震响应时程分析  57-68
    5.3.1 不跳格布置结构的地震响应时程分析  57-63
    5.3.2 跳格布置结构的地震响应时程分析  63-68
  5.4 预应力水平对结构地震响应的影响分析  68
  5.5 本章小结  68-69
  参考文献  69-70
第六章结构施工成形分析  70-85
  6.1 引言  70
  6.2 施工成形分析的基本思路  70-71
  6.3 基本理论与算例  71-73
  6.4 施工张拉方法研究  73-83
    6.4.1 不跳格布置结构施工成形方案  73-78
    6.4.2 跳格布置结构施工成形方案  78-83
  6.5 本章小结  83-84
  参考文献  84-85
第七章模型试验研究  85-98
  7.1 引言  85
  7.2 模型设计  85-89
    7.2.1 支座环梁  86-87
    7.2.2 索与压杆  87-88
    7.2.3 节点设计  88-89
  7.3 试验前期的准备  89-90
    7.3.1 试验测量系统  89
    7.3.2 试验测点选择及布置  89-90
    7.3.3 测试构件的标定  90
  7.4 模型试验测试内容  90-96
    7.4.1 结构初始预应力分布测定  90-91
    7.4.2 模型加载试验  91-92
    7.4.3 模型施工成形模拟跟踪  92-95
    7.4.4 模型自振频率测定  95-96
  7.5 试验误差分析  96
  7.6 本章小结  96-97
  参考文献  97-98
第八章结论和展望  98-101
  8.1 本文主要结论  98-99
  8.2 本文今后进一步的研究工作  99-101
致谢  101

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