铝合金蜂窝板-杆单层组合网壳的动力性能研究

摘要

相比于钢网壳，铝合金网壳具有自重轻、耐腐蚀和易加工等优点，深受建筑师的青睐。但由于其弹性模量相对较低，因此铝合金网壳的强度、刚度和稳定性等有待进一步提高。本文提出将高性能的铝合金蜂窝板与铝合金网壳有机结合，形成一种新型铝合金板杆组合网壳结构，研究其静力性能和地震、风振下的动力性能。
　　首先，研究并验证了蜂窝板等效理论的可行性，试图构建一种八节点矩形夹层壳单元，以更好地模拟蜂窝夹层板。其次，对比研究了板杆组合网壳和同跨度无板网壳的静力性能。再次，研究了组合网壳的自振特性以及矢跨比、蜂窝面板厚度及芯层厚度等参数对自振特性的影响。随后，分别采用反应谱法和时程分析法，研究了组合网壳在地震作用下的响应规律并进行参数化分析。最后，通过模拟得到的脉动风荷载对结构进行风振响应分析，并与结构的静风响应对比，获得了该类结构的风振系数。
　　通过对上述内容的研究，得到以下主要结论:
　　(1)采用基于Hoff理论的“等效板理论”模拟蜂窝夹层板的静动力性能，是可行而可靠的，相比于理论值，自振频率偏大，误差为10％左右，位移偏小，误差为6％左右，计算精度基本满足工程需求。为今后更有效地对大型铝合金蜂窝板组合网壳进行有限元分析和设计，本文提出一种能够模拟蜂窝夹层板的新型八节点矩形夹层壳单元，构建了该单元的位移模式、平衡方程及实施方案。
　　(2)竖向均布荷载作用下，新型铝合金蜂窝板单层组合网壳结构的最大位移，仅为无板铝合金网壳的11.9％，杆件最大内力为无板网壳的39％。可见铝合金板杆组合网壳的强度、刚度和承载力均明显优于同跨度的无板网壳结构。
　　(3)组合网壳顶部的竖向刚度相对较弱，今后建议在设计中应适当加强。在矢跨比为1/3至1/4之间结构的基频存在一极大值。结构的自振频率随着蜂窝面板和芯层厚度的增加而增大。
　　(4)地震作用下的参数化分析结果表明，随着矢跨比的增大，环向杆的应力先减后增，在矢跨比为1/3或1/4处有极小值;最外圈径向杆的应力先减后增，其余径向和斜向杆的应力均逐渐增大;结构顶点的水平位移逐渐减小，而竖向位移先减后增。随着蜂窝面板和芯层厚度的增加，除个别最外圈径向杆外，杆件的应力均逐渐减小，结构顶点的水平和竖向位移也逐渐减小。
　　(5)组合网壳杆件的内力风振系数分布较均匀，约有90％的杆件位于2到3之间;节点的位移风振系数变化也不大，除个别风振系数奇点外，一般在2到5之间。通过对结构总体风振系数的计算，建议该类新型组合网壳结构的风振系数可取3.2左右。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 蜂窝夹层结构的应用及研究现状

1．3 网壳结构的静力性能研究现状

1．4 网壳结构的动力性能研究现状

1．4．1 地震响应研究现状

1．4．2 风振响应研究现状

1．5 本文的研究工作

参考文献

第二章 蜂窝夹层结构的等效方法研究

2．1 引言

2．2 蜂窝夹层板等效理论

2．2．1 三明治夹芯板理论

2．2．2 蜂窝板理论

2．2．3 等效板理论

2．3 等效理论的可行性研究

2．3．1 自振频率和挠度计算理论

2．3．2 算例分析

2．4 新型蜂窝夹层壳单元的有限元构建

2．4．1 基本定义

2．4．2 位移表达式

2．4．3 应力表达式

2．4．4 平衡方程

2．4．5 后续工作

2．5 本章小结

参考文献

第三章 铝合金蜂窝板单层组合网壳的静力性能研究

3．1 引言

3．2 网壳结构的形式

3．2．1 网壳的分类

3．2．2 单层球面网壳

3．3 网壳结构常用静力分析理论

3．3．1 拟壳法

3．3．2 有限元法

3．4 新型铝合金蜂窝板杆组合网壳模型

3．4．1 组合网壳模型概况

3．4．2 蜂窝板与杆件之间的连接状态模拟研究

3．5 无板网壳与板杆组合网壳的对比研究

3．5．1 结构的位移

3．5．2 杆件内力

3．6 本章小结

参考文献

第四章 铝合金蜂窝板单层组合网壳的地震响应研究

4．1 引言

4．2 基本理论

4．2．1 反应谱法

4．2．2 时程分析法

4．3 铝合金单层组合网壳的自振特性研究

4．3．1 自振特性分析

4．3．2 自振频率随相关参数的变化规律研究

4．4 铝合金单层组合网壳的地震响应研究

4．4．1 反应谱法分析结果

4．4．2 时程分析结果

4．4．3 地震作用下主要影响参数分析

4．5 本章小结

参考文献

第五章 铝合金蜂窝板单层组合网壳的风振响应研究

5．1 引言

5．2 结构静风响应研究

5．2．1 风荷载的特性

5．2．2 风速与风压

5．2．3 静风响应研究

5．3 脉动风速时程模拟

5．3．1 线性滤波法理论

5．3．2 脉动风速谱和相干函数

5．3．3 脉动风的数值模拟

5．4 铝合金单层组合网壳的风振响应研究

5．4．1 节点的位移响应

5．4．2 杆件的内力响应

5．5 风振系数的研究

5．5．1 内力风振系数

5．5．2 位移风振系数

5．5．3 风振奇点及风振系数计算

5．6 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

作者读研期间发表论文

致谢