点式单层网壳采光顶分析中的若干问题研究

摘要

采光顶是集装饰和采光功能于一体的屋盖结构。近年来，在我国内地采光顶的应用迅速增多，被广泛应用于大跨度公共建筑、植物园温室、展览馆、博物馆、科技馆和一些标志性建筑。现代采光项的跨度越来越大，形状越来越复杂，它增加了建筑的现代气息，也迎合了节能、环保、健康和自然等时尚理念。 采光项采用的支承结构形式和玻璃的连接方式多种多样，不一而足。点式单层网壳采光顶以单层网壳为支承结构，点式铰接爪件固接在单层网壳的结点上，玻璃面板通过爪件和单层网壳连接，玻璃面板之间则采用硅酮密封胶连接。出于安全性的考虑，玻璃面板应采用夹胶玻璃。它是一种受力合理、形态优美的结构形式，在实际工程中已经有了一定的应用，而且呈现出很好的发展前景。目前，点式单层网壳采光顶的理论和试验研究严重落后于采光项工程的需要，相关规范还没有出台，其设计和施工往往需要借鉴相对成熟的玻璃幕墙技术。 当考虑玻璃面板的蒙皮作用时，点式单层网壳采光顶的受力性能和单层网壳有很大的不同，而现阶段的研究工作大都是针对单层网壳，点式单层网壳采光项的许多特殊问题都没有得到揭示和解决。玻璃是一种脆性破坏材料，当考察点式单层网壳采光顶的全过程工作性能时，玻璃面板会逐次退出工作，这对其受力性能有重要影响，但该问题往往被研究者忽视了。点式单层网壳采光顶中玻璃面板和支承结构协同工作，当只考察玻璃面板时，支承结构则相当于它的“弹簧支承”，对其受力有重要影响，这对玻璃面板的分析和设计提出了新的要求。众所周知，单层网壳是对初始缺陷十分敏感。点式单层网壳采光顶继承了单层网壳的各种初始缺陷，包括各种安装误差、杆件的初弯曲和残余应力等，而它自己又引入了玻璃的缺陷和安装误差，但至今还没有研究者针对点式单层网壳采光顶分析初始缺陷的影响。 以上问题都是实际工程急需解决的问题，作者借鉴单层网壳和建筑玻璃等相关领域的研究成果，对点式单层网壳采光顶进行了具有紧迫意义的研究。 本文给出了考虑玻璃破坏机制的方法，成功地对点式单层网壳采光顶进行了全过程分析，通过比较两个采光顶及其支承结构的计算结果，探讨了网格大小和荷载作用形式对蒙皮效应的影响，蒙皮效应对采光顶刚度和杆件内力的影响，以及玻璃面板和单层网壳的协同工作对玻璃面板受力的影响。另外，本文以结点安装偏差作为初始缺陷，采用“一致缺陷模态法”模拟该缺陷的分布，细致分析了该缺陷对点式单层网壳采光顶的影响。 通过本文的研究，可以得到以下结论： 1)单层网壳达到承载能力极限状态以前，玻璃面板对结构都会有蒙皮效应； 2)蒙皮效应对采光顶的刚度和杆件内力有重要影响； 3)较之大网格采光顶，小网格采光顶的蒙皮效应更为明显，又考虑到玻璃的脆性破坏特点，本文建议使用小网格采光顶； 4)荷载作用形式对蒙皮放应有很大影响，如在分析中计入蒙皮效应，应考虑荷载的真实分布，否则与真实情况会有很大出入； 5)“弹簧支承”对玻璃面板的应力发展具有缓冲作用，玻璃面板和单层网壳的协同工作有利于玻璃面板的受力； 6)点式单层网壳采光顶的初始缺陷越大，玻璃面板的蒙皮效应越小，刚度和极限荷载降低得越多； 7)点式单层网壳采光顶比单层网壳对初始缺陷更加敏感。

目录

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第一章绪论

§1.1建筑玻璃成为结构材料

§1.2采光顶的发展及应用

§1.3点式单层网壳采光顶的构成

1.3.1单层网壳

1.3.2点式铰接爪件

1.3.3玻璃面板

§1.4点式单层网壳采光顶的研究现状

§1.5研究的目的、方法和主要内容

第二章点式单层网壳采光顶的非线性有限元分析

§2.1引言

§2.2有限变形分析

2.2.1 T.L.描述与U.L.描述

2.2.2构形的变换

2.2.3线元、面元和体元的变换

2.2.4位移梯度张量

2.2.5刚体运动描述

2.2.6 Green应变

§2.3有限变形物体的应力

2.3.1 Cauchy应力

2.3.2 PK1应力

2.3.3 PK2应力

§2.4点式单层网壳采光顶的非线性有限元基本方程

2.4.1 U.L.格式的虚功方程

2.4.2 U.L.格式的单元增量方程

2.4.3点式单层网壳采光顶的非线性有限元基本方程

第三章平衡路径的跟踪技术

§3.1引言

§3.2牛顿荷载增量法

3.2.1牛顿法和修正的牛顿法

3.2.2牛顿荷载增量法

§3.3弧长法

3.3.1弧长法的原理

3.3.2球面显式弧长法

§3.4 ANSYS功能简介及验证

3.4.1 ANSYS功能简介

3.4.2 ANSYS分析点式单层网壳采光顶的流程图

3.4.3典型算例及结果比较

第四章点式单层网壳采光顶的全过程分析

§4.1引言

§4.2模型及荷载参数

4.2.1模型参数

4.2.2荷载参数

§4.3全过程曲线及屈曲模态

4.3.1单层网壳及采光顶的全过程曲线

4.3.2单层网壳及采光顶的屈曲模态

§4.4网格和荷载作用形式对蒙皮效应的影响

4.4.1蒙皮效应释义

4.4.2网格大小对蒙皮效应的影响

4.4.3荷载作用形式对蒙皮效应的影响

§4.5蒙皮效应对采光顶刚度和杆件内力大小的影响

§4.6玻璃面板和单层网壳的协同工作对玻璃面板受力的影响

第五章点式单层网壳采光顶的初始缺陷分析

§5.1引言

§5.2点式单层网壳采光顶的初始缺陷

§5.3一致缺陷模态法

§5.4算例分析及结论

第六章结论与展望

§6.1主要研究成果

§6.2进一步的研究工作

参考文献

作者简介

致谢