内柱及周边共同支承的双层网壳选型及优化设计研究

摘要

网壳结构的支承条件是影响其力学特性和经济性能的重要因素之一，球形网壳通常采用周边支承的方式，将周边节点搁置在基础或下部结构上。近年来随着文化创意产业的飞速发展，各种实景演出剧场成为一种新兴的大跨空间结构。由于演出场景的需要，通常具备在大跨网壳内设置内柱的条件，形成内柱及周边共同支承的混合支承方式。
　　本文首先以西安某大型实景演出剧场的内柱及周边共同支承椭球形双层网壳为背景工程，根据双层网壳的网格生成原理，以网壳矢跨比、厚度、格构柱位置及形状等为控制参数，采用MATLAB程序求出双层网壳各节点的三维坐标，导入有限元程序ANSYS中，建立了参数化有限元分析模型并通过离散变量截面优化选定杆件截而。
　　通过与无内柱支承双层网壳的对比分析，对混合支承方式下椭球形双层网壳的各项受力性能及机理展开研究。发现在内柱及周边共同支承的双层网壳中，双层网壳在内柱顶部的传力以受压为主，对角内柱及连线上的网格形成了X型交叉拱架。混合支承双层网壳的受力机理是壳体、X型交叉拱架、点承式整体弯曲三者的叠加，显著提升了网壳的受力性能。
　　在了解了内柱支承对双层网壳的影响机理后，保持双层网壳不变，采用参数化建模的方法，通过对比网壳用钢量及受力性能，分别针对内柱的位置、数量和形式等参数进行了优化，总结了各参数的影响规律。
　　对内柱的位置进行优化，发现内柱位置对网壳受力性能影响显著。通过对比内柱位置优化前后网壳所有杆件的内力平均值、内力峰值、标准差，与无内柱双层网壳相比，在最佳位置设置4根内柱后，网壳整体内力水平下降30％以上，且内力分布更加均匀，80％以上的杆件内力发生了显著的变化，表明内柱的设置改变了双层网壳的内力分布规律及传力路径;
　　内柱的数量由4根变为6根时，对于结构受力性能的改善效果非常明显，新增的2根内柱利用效率与原来4根内柱基本相同，在跨度很大且条件允许时，可以考虑6根内柱的方案;
　　内柱是混合支承双层网壳结构中的关键构件，承载力和稳定性与双层网壳的相关性不强，应按照内柱承载力和稳定性不低于双层网壳的设计原则进行设计和优化。内柱采用桁架式格构柱形式可对构件截面和柱尺寸进行灵活调整，充分发挥构件的材料利用效率。
　　内柱相关参数优化后，对双层网壳的形状、厚度和矢跨比等进行参数分析。发现网壳剖切线形状对无内柱双层网壳用钢量的影响较小，对混合支承双层网壳用钢量影响更小。可以认为，设置内柱后，双层网壳对于剖切线形状的敏感度进一步降低，双层网壳的形状可选范围更大;对双层网壳结构厚度的参数分析表明，有内柱时，随着双层网壳厚跨比的增加，网壳用钢量先减小后增大，厚跨比为1/42～1/32时，用钢量最优。内柱的支承作用随双层网壳厚度的增加而增强，当网壳厚度较小，厚跨比小于1/42时，双层网壳在内柱顶附近会出现明显的应力集中，负弯矩对双层网壳受力产生不利影响;对矢跨比的参数分析表明，在内柱及周边共同支承双层网壳结构中，矢跨比越大，内柱的作用越小。双层网壳过于扁平或过于隆起均会导致用钢量的增加，矢跨比为1/6～1/5时，结构的用钢量最小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 网壳结构类型及选型原则

1．3 工程案例介绍

1．3．1 已建具有代表性的双层网壳

1．3．2 已建具有代表性的实景演出剧场

1．4 国内外研究现状

1．4．1 网壳结构优化设计研究现状

1．4．2 网壳结构稳定研究现状

1．5 工程概况

1．6 本文主要工作

第二章 内柱支承对双层网壳性能的影响分析

2．1 引言

2．2 椭球形双层网壳分析模型

2．2．1 参数化几何模型的生成方法

2．2．2 有限元计算模型的建立

2．2．3 网壳杆件截面优化

2．3 静力性能分析及受力机理研究

2．3．1 用钢量对比

2．3．2 杆件内力对比

2．3．3 内柱对双层网壳内力的影响幅度

2．3．4 内柱承受的竖向荷载

2．3．5 变形对比

2．4 动力特性分析

2．4．1 自振特性分析

2．4．2 地震作用分析

2．5 稳定性对比分析

2．5．1 基本原理

2．5．2 特征使屈曲分析

2．5．3 考虑初始缺陷的非线性届曲分析

2．6 不对称分布荷载作用下稳定性对比分析

2．7 本章小结

第三章 内柱参数优化研究

3．1 引言

3．2 内柱位置优化

3．3 内柱位置最优时网壳受力特性

3．3．1 内柱对上部网壳杆件影响范围和幅度分析

3．3．2 杆件内力均匀性分析

3．3．3 动力特性及稳定性

3．4 内柱数量优化

3．5 内柱形式优化

3．5．1 内柱截面形式的估算

3．5．2 内柱形式改变对静力性能和稳定性影响

3．5．3 内柱形式优化结论

3．6 本章小结

第四章 内柱及周边共同支承的双层网壳优化研究

4．1 引言

4．2 双层网壳剖切线形状

4．2．1 基于四次曲线簇的形状优化

4．2．2 基于多种曲线的形状比选

4．3 网壳厚度参数分析

4．4 网壳矢跨比参数分析

4．5 设计建议

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间学术成果