张拉整体结构的静动力特性及抗震、抗风研究

摘要

张拉整体结构是上世纪四十年代提出的一种新型结构体系，它是由连续的拉索和不连续的压杆组成的应力自平衡、自支撑的空间网格体系。如今，张拉整体体系已经成为空间结构最前沿的课题之一，引起全世界范围内研究者的广泛关注。本文研究了张拉整体结构在静载作用下的受力性能，地震作用下的响应分析以及其在风荷载作用下的风振响应分析，并提出了可供设计参考的风振系数取值。
　　本文主要进行了以下几方面的工作：
　　1．考虑结构的几何非线性，通过势能驻值原理建立张拉整体结构的有限元基本方程。在张拉整体结构基本假定基础上，利用有限元基本方程编制了张拉整体结构初始形态分析的非线性有限元程序，针对基于四棱柱体单元的张拉整体结构进行了分析，得到了各构件的预应力比的合理取值。对于张拉整体结构而言，一个合理的平衡几何态通常都有与之对应的一组或多组预应力态。
　　2．应用张量表示方法，通过修正的拉格朗日方程推导了考虑位移高阶项影响的张拉整体结构的单元刚度矩阵，得到杆单元的增量平衡方程，建立静力分析的基础，研究了平板型和柱壳型张拉整体结构的静力性能，通过对平板型和柱壳型张拉整体结构在满跨均布竖向荷载作用下的非线性有限元计算，研究了张拉整体结构的荷载-位移曲线及其构件应力随荷载的变化规律，分析了预应力、单元高度、结构跨度和矢跨比等参数对结构的整体刚度和失效荷载的影响规律。
　　3．从适合张拉整体结构工程应用的角度出发，考虑预应力分布状态及其最优的构件截面分布二者的相互影响与制约情况，应用遗传算法对平板型和柱壳型张拉整体结构进行了优化设计研究，提出了可供实际应用的预应力与构件截面的关联优化设计方法。
　　4．分别分析了平板型和柱壳型张拉整体结构的自振特性，以及频率随预应力的变化规律。采用时程分析法研究结构在八度多遇地震下的动力响应，研究表明两种张拉整体结构具有良好的抗震性能。分析了在地震的作用下，结构最大位移、最大内力值、节点位移时程曲线和杆件、索的内力时程曲线。比较了在不同地震动的作用下结构的响应。结果表明：在合理的索、杆截面及索初始预应力的条件下，不会出现拉索因松弛而退出工作，压杆受拉的情况。在不同地震动作用下结构响应差别不大，内力分布情况基本相同；采用随机模拟时程分析方法对平板型和柱壳型张拉整体结构进行系统的风振响应分析，考虑风速、长宽比、矢跨比和索预应力等基本参数在常用范围内变化时，结构的风振响应变化规律。运用参数分析方法，对平板型和柱壳型张拉整体结构的风振响应分析结果进行统计、公式拟合，提出了基于响应的可用于平板型和柱壳型张拉整体结构的抗风设计整体风振系数计算公式。

目录

张拉整体结构的静动力特性 及抗震、抗风研究

STATIC AND DYNAMIC ANALYSIS OF TENSEGRITY STRUCTURE FOR EARTHQUAKE AND WIND RESISTANCE

摘要

Abstract

CONTENTS

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 张拉整体结构的确定性及几何稳定性分析

1.2.2 张拉整体结构的力学分析

1.2.3 张拉整体结构的可展开性能研究

1.2.4 张拉整体结构的应用

1.2.5 张拉整体结构的特点

1.3 本课题的意义

1.4 课题来源

1.5 本课题研究的主要内容

第2章 张拉整体结构的预应力状态的确定

2.1 初始形态分析思路

2.2 单元的平衡方程

2.3 增量形式的平衡方程

2.3.1 完全拉格朗日公式

2.3.2 修正的拉格朗日公式

2.4 有限单元法初始形态分析程序

2.4.1 有限单元法基本方程

2.4.2 迭代计算的收敛性

2.4.3 张拉整体单体算例分析

2.5 本章小结

第3章 张拉整体结构静力分析

3.1 结构非线性问题的基本解析

3.2 张拉整体结构的非线性分析基础

3.2.1 模型的基本假定

3.2.2 物体运动的描述

3.2.3 应力和应变的张量表示

3.2.4 完全和修正的拉格朗日公式

3.3 张拉整体结构的单元刚度矩阵

3.3.1 基本公式的推导

3.3.2 非线性有限元公式的推导

3.4 非线性方程的求解

3.5 平板型张拉整体结构的静力性能分析

3.5.1 平板型张拉整体结构的荷载位移曲线

3.5.2 加载过程中各构件应力的变化规律

3.5.3 平板型张拉整体结构静力性能的参数分析

3.6 柱壳型张拉整体结构的静力性能分析

3.6.1 柱壳型张拉整体结构的荷载位移曲线

3.6.2 加载过程中各构件应力的变化规律

3.6.3 柱壳型张拉整体结构静力性能的参数分析

3.7 本章小结

第4章 张拉整体结构的优化设计

4.1 结构优化设计概述

4.2 张拉整体结构优化设计的内容与特点

4.3 基于遗传算法的张拉整体结构的优化设计

4.3.1 遗传算法简介

4.3.2 遗传算法在张拉整体结构优化中的应用

4.3.3 平板型张拉整体结构优化设计

4.3.4 柱壳型张拉整体结构优化设计

4.4 本章小结

第5章 张拉整体结构的动力特性分析

5.1 张拉整体结构的自振特性

5.1.1 自振频率与振型

5.1.2 子空间迭代法求自振频率和振型

5.2 张拉整体结构的自振特性分析

5.2.1 平板型张拉整体结构的自振特性

5.2.2 柱壳型张拉整体结构的自振特性

5.3 本章小结

第6章 张拉整体结构地震响应分析

6.1 时程分析法基本理论

6.2 张拉整体结构的地震响应计算

6.3 平板型张拉整体结构的地震响应计算

6.3.1 不同地震动作用下的结构响应比较

6.4 柱壳型张拉整体结构的地震响应计算

6.4.1 不同地震动作用下的结构响应比较

6.5 本章小结

第7章 张拉整体结构的风振响应时域分析

7.1 风的基本特性

7.1.1 平均风的基本特性

7.1.2 脉动风的基本特性

7.1.3 建筑物的表面风压

7.2 随机模拟时程分析方法

7.2.1 结构风荷载的模拟

7.2.2 动力方程的求解

7.2.3 响应的统计分析

7.3 计算模型及参数分析方案

7.3.1 计算模型

7.3.2 参数分析方案

7.4 平板型张拉整体结构风振响应分析

7.4.1 基本模型的风振响应特点

7.4.2 各种参数对风振响应的影响

7.5 柱壳型张拉整体结构风振响应分析

7.5.1 基本模型的风振响应特点

7.5.2 各种参数对风振响应的影响

7.6 张拉整体结构风振系数探讨

7.6.1 现行规范方法概述

7.6.2 张拉整体结构风振系数的确定

7.6.3 风振系数的统计处理

7.6.4 整体风振系数的拟合公式

7.6.5 张拉整体结构整体风振系数

7.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历