索穹顶的几何稳定性和结构优化分析

摘要

索穹顶是上世纪八十年代中期出现的新型张力结构中的一种，其结构形式由著名的“张拉整体体系”概念发展而来。这种结构体系形式多样，具有高效、经济、施工速度快等特点，满足了现代社会对大空间大跨度建筑结构的需要，是现代建筑的一个研究热点和发展方向。 文章首先介绍了索穹顶结构的发展及特点，根据其特性进行了分类，并回顾了近年来国内外这种结构形式的研究现状，提出本文需要研究的内容和需要解决的问题。由于索穹顶是一种柔性结构，其设计过程比较复杂，设计中最核心的问题就是结构体系的稳定性。本文的研究内容就是力图建立一套比较完善的判定索穹顶结构形态稳定性的程序，对多种不同类型的索穹顶模型进行稳定性分析，并根据分析过程中的得到的结论和成果，构建形式合理的新型索穹顶模型，并利用有限元分析软件对这种结构形式做出优化。 为了达到这些目的，本文介绍并对比了现有的稳定性分析理论，从经典的Maxwell判别准则的局限性入手，介绍了新型的基于矩阵理论的分析方法，并引入了无穷小机构、自应力模态和机构位移的概念，对传统认为“不适宜作为结构使用”的可变体系做出了新的认识。文章选取了适用于索穹顶特点的平衡矩阵分析方法，建立了一套比较完善的适用于索穹顶结构几何稳定性判别的步骤，并利用高级分析软件Matlab编制了相应的分析程序，并利用算例验证其可靠性和适用性。随后使用这套程序对多种形式的索穹顶模型的几何稳定性做出了完整的分析，得到了一些实用的结论。 文章还在对各种不同形式的结构模型进行几何稳定性分析的过程中，总结规律，根据张力结构的构成特点和规则，试图并成功构造出了形式合理、经济且稳定的索穹顶新型式模型。然后对其做出了详尽的静力分析，得出了一些对结构选型有用的结论。 最后，依据本文分析和研究的结果，选取了适合索穹顶结构特点的优化方法，采用大型有限元分析软件对新型索穹顶模型的结构形式进行了优化分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1张力结构概述

1.2索穹顶结构的发展和特性

1.3索穹项结构的分类

1.3.1盖格(Geiger)体系索穹项

1.3.2利维(Levy)体系索穹顶

1.3.3凯威特(Kiewitt)体系索穹顶

1.3.4弦支穹顶(Suspendome)

1.3.5混合体系

1.4索穹顶结构的研究现状

1.4.1几何体形和稳定性的研究

1.4.2预应力过程和状态的分析

1.4.3结构体系的静力分析

1.4.4有限元分析方法的应用

1.4.5结构优化设计思想和发展

1.5问题的提出

1.6本文的主要研究工作

第二章空间索-杆结构的体系分析

2.1 Maxwell判别准则及其局限性

2.2平衡矩阵理论

2.3奇异值分解法

2.4自应力模态数和机构位移模态数

2.5静不定、动不定体系的几何稳定性判别

2.6空间索杆体系几何稳定性判别的基本步骤和程序

2.7算例

2.8小结

第三章索穹顶模型的几何稳定分析

3.1稳定分析的基本步骤

3.2鱼腹型穹顶模型的稳定分析

3.3盖格型索穹顶模型的稳定分析

3.3.1设上层环索的一道环索盖格型索穹顶模型

3.3.2不设上层环索的一道环索盖格型索穹顶模型

3.3.3两道环索盖格型索穹顶模型

3.4凯威特型索穹项模型的稳定分析

3.4.1一道环索凯威特型索穹顶模型

3.4.2两道环索凯威特型索穹项模型

3.5 小结

第四章新型索穹顶结构形式的构建和分析

4.1张力结构的基本组成单元

4.2新Ⅰ型索穹顶结构模型

4.3各种穹顶模型的静力分析和比较

4.3.1两道环索盖格型索穹顶的静力分析

4.3.2两道环索凯威特型索穹顶的静力分析

4.3.3新Ⅰ型索穹顶结构模型的静力分析

4.4新型索穹项结构形式的改进

4.4.1新Ⅱ型索穹顶结构模型

4.4.2新Ⅲ型索穹顶结构模型

4.5 小结

第五章索穹顶结构的优化

5.1优化的基本概念和方法

5.2 ANSYS结构优化模块简介

5.3目标函数的建立

5.4优化结果对比分析

5.4.1两道环索盖格型索穹顶模型的优化结果对比分析

5.4.2两道环索凯威特型索穹顶模型的优化结果对比分析

5.4.3新Ⅲ型索穹顶模型的优化结果对比分析

5.5小结

第六章结论和展望

6.1结论

6.2存在的问题

6.3展望

参考文献

致谢