网壳结构新型建造方法的施工过程研究与力学分析

摘要

空间网壳结构作为一种非常重要的建筑结构形式，几十年来在建筑业界广受欢迎。网壳以其优美的形态和合理的受力形式得到广大建筑师与结构工程师的青睐，但其迥异于梁柱结构体系的施工方法也让许多科研人员对它的建造工艺及施工过程中表现出的诸多力学问题越来越重视；同时，新的先进施工方法有利于提高结构的施工质量和安全性，可有效的缩短工期和降低施工成本，因此，对网壳建造的新方法在结构方面进行研究非常有必要和有意义。
　　 首先，本文在研究了国内外的一些施工力学分析理论并对现行网壳结构常规建造模式进行归纳总结的基础上，阐述了常规的结构设计计算与结构施工过程计算分析之间的差异。为了更深入的研究网壳结构的建造模式，本文分析了常用的几种有限元软件的施工模拟功能并将其做了比较，最终选择了SAP2000非线性有限元软件展开了相关探索。
　　 其次，本文通过与普通网壳常规施工方法的对比分析，对“折叠展开式”柱面网壳施工法施工全过程进行跟踪模拟和结构内力研究。“折叠展开式”柱面网壳是一种新型的网壳体系，它具有施工安装速度、高空作业少，且施工过程中内力小，施工完成后次应力小等优点；但由于其特殊的施工方式工，也限制了折叠式网壳的使用范围，一般只能用于筒壳的建造而无法用于球面网壳及其它复杂曲面网壳，本文对此进行了较为深入的探讨。
　　 再次，本文研究了弹性曲弯网壳这一新颖的网壳结构，详细分析了该类网壳的设计与建造过程。通过使用通用有限元软件，尝试模拟分析了两个曲弯网壳的施工过程，对相关数值模拟分析结果进行了系统的研究，同时，也指出了分析中的不足之处以及下一步研究方向。与“折叠展开式”网壳相比，弹性曲弯网壳对于外形的适应性更强，可以建造出任意形态的网壳，而且施工速度快，场地及设备要求也低；但是其缺点也很明显，如设计困难、计算复杂、选材受限；本文通过弹性曲弯网壳施工过程的力学分析，系统的探索了弹性曲弯网壳的建造特征和构件参数要求。
　　 最后，本文尝试在网壳结构中引入设计施工一体化概念，研究了基于IFC标准的设计施工一体化4.5D平台可行性，在此基础上开发了一个实验性质的4.5D集成平台——SEU4.5D，并以具体网壳算例验证了该平台的性能。该平台与此前的4D平台框架不同，它是真正意义上的施工过程模拟平台——即实现在结构分析计算基础上的三维建模与施工进度模拟和管理，并能在各个施工阶段进行结构分析。虽然由于开发时间有限及作者的水平问题，该平台只具备一些基本的验证功能，但是它具有特殊的创新价值，对未来此类平台的扩展设计有明确的借鉴意义。