新型张拉空间结构受力性能研究与优化

摘要

随着生活水平的不断提高,文化、体育、工业生产等事业的不断进步,人们增加了对空间结构,尤其是大跨度高性能空间结构的需求,从而促进了大跨度空间结构在我国的迅猛发展.而随着实际工程数量的增多,空间结构的形式趋于多样化,其相应的理论研究和设计技术也逐步趋于完善. 近年来,在预应力技术与空间钢结构发展的基础上,发展出很多新的空间钢结构体系,张弦梁结构便是其中之一.张弦梁结构是近几年才发展起来的一种典型的预应力索杆结构,具有很多优点.而在张弦梁结构的基础上,日本等国家最近又发展了一种新型的空间张拉结构,这是一种由空间预应力索网、张弦梁等结构组成的空间张拉结构(日本大学的M.Saitoh(斋藤公男)教授称此结构为SKELSION系统结构),该结构在充分发挥张弦梁结构优点的基础上,又发挥了空间预应力索网的结构优点,使得结构受力更加合理,结构更加稳定.该结构在我国尚属起步阶段,对其性能的研究对指导工程实践具有重要的意义. 本文以有限元理论为基础,结合空间张拉结构几何非线性特征,利用通用有限元软件ANSYS的非线性模块对此空间结构(SKELSION系统结构)进行仿真分析.主要工作如下: 首先,应用软件ANSYS的生死单元法和APDL,对其空间索网和张弦梁进行结构找形.进而对其在雪荷载、风荷载作用下的结构受力机理和特点进行分析,并应用时程分析法,研究结构空间索网预张力、空间索网布置和张弦梁垂跨比等参数对结构的动力特性、竖向地震响应的影响,得出结论.最后,应用软件ANSYS的APDL,以用料最省为目标,在考虑相关规范的基础上进行结构优化,并讨论了空间索网预张力、空间索网布置等参数对优化结果的影响. 通过本文的研究,对新型空间张拉结构的受力特性有了更进一步的认识,为将来的工程设计提供一定的参考依据.

目录

文摘

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1绪论

1.1概述

1.2结构概念和特点

1.2.1张弦梁结构特点

1.2.2空间索网结构特点

1.2.3结构特点

1.3结构体系受力机理

1.4结构体系研究现状

1.5本文的研究方法、内容、目的和意义

2基本理论和模型建立

2.1有限元基本理论

2.1.1有限元基本理论

2.1.2有限元分析的基本步骤

2.2结构非线性分析

2.2.1非线性的原因

2.2.2非线性的处理方法

2.3本文涉及到的ANSYS理论

2.3.1几何非线性

2.3.2 APDL

2.4建立有限元模型

2.4.1压弯构件

2.4.2索

2.4.3压杆构件

2.4.4模型建立

2.5基本假设

2.6预应力拉索

2.6.1预应力拉索构造

2.6.2预应力拉索性能

3结构体系预张力引入和找形分析

3.1形状确定理论

3.2结构体系找形分析

3.2.1找形分析方法

3.2.2拉索的预应力引入计算方法

3.2.3张拉结构的受力状态定义

3.3结构有限元模型的计算

3.3.1空间索网的找形

3.3.2张弦索的找形

3.3.3找形结果

3.4小结

4结构体系在静荷载作用下的性能分析

4.1节点和单元分布

4.2结构全跨雪荷载作用分析

4.3结构半跨雪荷载作用分析

4.4结构水平风荷载作用分析

4.4.1水平风荷载的特性

4.4.2水平风荷载的确定

4.4.3结果分析

4.5小结

5结构体系动力特性分析

5.1概述

5.2模态分析理论

5.2.1模态分析理论

5.2.2模态分析求解方法

5.3参数分析

5.3.1空间索网预张力的影响

5.3.2空间索网布置的影响

5.3.3张弦梁垂跨比的影响

5.4振型图与频率

5.5小结

6结构体系竖向地震响应时程分析

6.1前言

6.2地震波相关概念

6.2.1地震波的输入

6.2.2地震波选取

6.2.3地震波峰值幅值调整

6.2.4地震波持续时间

6.2.5建筑抗震设计规范关于竖向地震的规定

6.2.6地震输入方法

6.3地震响应分析时程分析法

6.4阻尼

6.4.1正交阻尼

6.4.2非正交阻尼

6.5ANSYS瞬态分析方法

6.6参数分析

6.6.1空间索网预应力的影响

6.6.2空间索网布置的影响

6.6.3张弦梁垂跨比的影响

6.7小结

7结构优化

7.1优化设计基本概念

7.1.1工程结构优化设计发展

7.1.2传统设计与优化设计

7.2结构最优设计基本概念

7.2.1设计变量、目标函数、约束条件

7.2.2优化的一般数学表达式

7.3 ANSYS优化

7.3.1优化的三大变量与过程

7.3.2优化方法

7.4计算实例

7.4.1内力组合

7.4.2结构优化参数

7.4.3参数分析

7.5小结

8结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

附录