新型拉索-玻璃穹顶结构体系的理论研究

摘要

玻璃作为建筑材料用于建筑物已有很长的历史，但多用于门、窗、采光带等附属于主体结构的围护部件而很少参与主体结构的受力。在一般人眼里玻璃是一种薄而易碎的材料，很难与硕大的承重结构联系在一起。而事实上，玻璃虽然在力学性能上具有一定的局限性，但如果在结构设计中能够扬长避短，将其用于建筑结构中却会取得意想不到的效果。因此，对新型玻璃结构进行专门的、深入的、有针对性的理论研究和技术开发势在必行，也已成为组合结构研究领域的一个新课题。 本课题首先在大量查阅国内外文献的基础上，对玻璃结构的发展和应用现状进行了描述，并扼要的介绍了目前的工程应用。其次，根据玻璃采光顶的构成，详细论述了建筑玻璃、玻璃材料的连接和支承体系。 基于充分发挥玻璃材料的抗压性能，本文构造出了一种玻璃作为承重构件的新型拉索-玻璃采光顶结构。该新型结构体系的特点是通过索张拉和玻璃受压来形成结构，在索中施加预应力使玻璃板一直处于受压状态，增加结构的整体性。该结构体系在达到建筑通透效果的同时，也实现了结构新材料应用和新结构体系的开发研究。 本文针对新型拉索-玻璃穹顶结构，提出了一种新的局部边界只受压矩形板壳单元模型，并导出了该板壳单元模型的有限元理论列式。在建立复合平面应力单元的刚度矩阵时，采用凝聚法消去内部节点的效应(内力和位移)，单元模型中只需要考虑边界节点效应。局部边界只受压板壳单元的刚度矩阵由复合平面应力单元和弯曲板单元的刚度矩阵叠加而成。同时，对带有局部边界只受压板壳单元的新型拉索-玻璃穹顶结构的非线性分析方法进行了研究，导出了新型拉索-玻璃穹顶结构的有限元列式，提出了该结构的非线性分析方法及步骤。 本文对初始态下的拉索-玻璃穹顶结构在竖向对称荷载、竖向反对称荷载和风吸力作用下的静力特性进行了深入分析，并同纯玻璃壳结构的静力特性进行了比较；获取了拉索截面、预应力力、玻璃板厚跨比、矢跨比和水平索端点坐标等参数对结构静力特性的影响规律，通过分析结构最大竖向位移和玻璃板最大拉应力在不同参数下的变化，得到了结构体系的受力机理及静力特性，为结构设计提供数据资料。 本文对初始态下的拉索-玻璃穹顶结构静力稳定性进行了分析。采用非线性有限元理论，结合牛顿荷载增量法和柱面弧长法的跟踪技术，对拉索-玻璃穹顶结构进行了考虑几何非线性的全过程分析，并研究在结构到达整体失稳时，下部拉索体系的内力变化。获取了拉索截面、预应力、玻璃板厚跨比、矢跨比和水平索端点坐标等参数对结构稳定性能的影响规律。 在拉索-玻璃穹顶结构中，玻璃作为主要受力构件，当一块或多块玻璃偶然破碎时，则破碎的玻璃所处的拱带将变得不连续，本文对玻璃破碎后的结构稳定性能进行了数值分析和研究，验证了结构的可靠性。 为了对结构的动力性能有较全面的了解，本文分析了拉索-玻璃穹顶结构体系的自振特性，在此基础上进行参数分析。 根据新型拉索-玻璃穹顶的结构特点，本文对玻璃板节点进行研究，构造出了玻璃板元角点处玻璃板与玻璃板、玻璃板与拉索、水平索和放射索的连接形式，并提出了玻璃板间只受压节点构造形式。通过对螺栓连接和夹板连接的玻璃板的分析计算，验证了本文所提出的在相邻玻璃板边界处加垫块的构造方案的可行性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2玻璃结构的发展和应用

1.3玻璃采光顶的结构组成

1.4玻璃结构的研究现状和发展前景

1.5本文主要研究内容

第2章新型拉索-玻璃穹顶结构体系构成及特点

2.1新型拉索-玻璃穹顶结构体系构成及特点

2.2新型拉索-玻璃穹顶预应力的输入方法

2.3本章结论

第3章局部边界只受压板壳单元的有限元理论

3.1局部边界只受压矩形板壳单元模型

3.2局部边界只受压矩形板壳单元的有限元列式

3.3带有局部边界只受压板壳单元结构的有限元列式

3.4带有局部边界只受压板壳单元结构的非线性分析方法

3.5本章小结

第4章新型拉索-玻璃穹顶结构的静力分析

4.1静力分析概述

4.2算例及有限元网格的确定

4.3新型拉索-玻璃穹顶结构在荷载作用下的静力分析

4.4参数分析

4.5本章小结

第5章新型拉索-玻璃穹顶结构的稳定性分析

5.1稳定性概述

5.2稳定理论和计算分析方法回顾

5.3新型拉索-玻璃穹顶结构的稳定性分析

5.4静力稳定性能的参数分析

5.5玻璃板局部破损对拉索-玻璃穹顶结构承载力的影响

5.6本章小结

第6章新型拉索-玻璃穹顶结构的自振特性分析

6.1概述

6.2基本理论

6.3自振特性分析

6.4拉索-玻璃穹顶结构自振特性的参数分析

6.5本章小结

第7章新型拉索-玻璃穹顶结构的节点构造及板元分析

7.1引言

7.2新型拉索-玻璃穹顶结构的节点构造

7.3玻璃板单元模型分析

7.4本章小结

第8章结论与展望

8.1本文的主要研究工作及结论

8.2展望

参考文献

致 谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果