大型体育场膜结构挑篷的结构分析、设计理论与工程实践

摘要

作为一种新型的建筑结构体系,膜结构已经得到了世界范围内广大建筑师、结构工程师及业主的认可.目前,在全球范围内膜结构无论在工程界还是在科研领域均处于热潮中,中国更是处于膜结构建筑增长的最前沿.但与世界先进水平相比,国内在膜结构领域的研究水平不高,许多方面的研究工作还处于起步阶段.该文主要开展了如下几方面的工作:根据非线性大位移理论,推导了膜单元的非线性刚度矩阵,建立了膜结构的非线性有限元的基本方程.采用非线性有限元方法建立了膜结构的初始形态设计的理论和方法,很好地解决了这一膜结构设计中的关键问题,使准确地进行下一步的结构静、动力性能分析成为可能.对于索膜结构的初始形态设计,索、膜的张力比是初始形态设计结果能否令人满意的决定性因素;典型膜面的静力性能参数分析表明:增加预张力并不能显著地提高膜面的刚度,但可以有效地控制膜面褶皱的出现;增加膜面曲率不但可以显著地提高膜面的刚度,还可以推迟褶皱的出现;荷载的方向性对膜面的力学性态影响较大,这一特性在膜结构的荷载效应分析时应引起注意.在模拟大气边界层的风洞中,对某大型体育场膜结构挑篷进行了风洞测压试验,系统地研究了膜面上的平均风荷载和脉动风荷载特性.试验结果表明,负压风荷载是膜结构挑篷设计的控制荷载;挑篷膜面的平均风压和均方根风压随风向角的变化规律相似;当前缘处于迎风位置时,前缘膜面压力数值较大,后缘和中部膜面的压力数值较小;当后缘处于迎风位置时,后缘膜面的压力数值较大,前缘和中部膜面的压力数值较小.采用某大型体育场膜结构挑篷的风洞试验数据对其进行了静力风荷载效应分析,系统地研究了膜面的初始预张力、抗风索的截面积、抗风索的预张力、拱距以及拱的矢跨比对膜面抗风性能的影响.通过计算分析表明,设置抗风索是提高膜结构抗风性能的有效措施;在膜面初始预张力保持不变的前提下,对抗风索施加预张力并不能改善膜面的抗风性能;增加拱的矢跨比可以有效地提高膜面抗风性能.在了解膜结构动力特性的基础上,建立了膜结构非线性风振响应的时程分析法.然后直接应用某大型体育场刚性模型风洞试验测量所得到的风压时程数据,对该体育场挑篷的典型膜面进行非线性风振响应分析,系统地研究了膜面的风振响应特性.研究表明,膜面的风振动力效应并不显著,可以近似采用阵风系数来考虑脉动风的瞬时增压作用.综上,该文针对大型体育场膜结构挑篷分析与设计中的一系列关键问题、难点问题——初始形态设计、挑篷膜面的风荷载特性、膜面的静、动力特性和抗风性能进行了深入、系统的研究.旨在通过该文的研究工作,为大型体育场膜结构挑篷的分析与设计提供坚实的技术支持.

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.1.1膜结构发展概述

1.1.2建筑用膜材

1.1.3膜结构的分类

1.1.4张拉式膜结构的基本形体单元组成、单元形式及其组合方式

1.2膜结构研究现状

1.2.1膜结构初始形态的确定

1.2.2膜结构的荷载效应分析

1.3本文的主要研究工作

本章参考文献

第二章膜结构的初始形态设计及静力性能分析理论

2.1引言

2.2膜结构初始形态分析的内涵

2.3膜结构分析的三角形膜单元增量理论

2.4基于非线性有限元的膜结构初始形态分析

2.4.1膜结构初始形态分析的弹性力学原理

2.4.2基于非线性有限元的初始形态分析方法

2.4.3初始形态分析的算例

2.5膜结构的静力性能分析

2.5.1初始预张力对结构静力性能的影响

2.5.2膜面曲率对结构静力性能的影响

2.5.3褶皱对结构静力性能的影响

2.6本章小结

本章参考文献

第三章大型体育场膜结构挑蓬风荷载特性的风洞试验研究

3.1引言

3.2试验概况

3.2.1模型设计和测点布置

3.2.2大气边界层风场的风洞模拟

3.2.3试验工况

3.2.4数据处理

3.3试验结果与分析

3.3.1平均风压的分布特性

3.3.2均方根脉动风压系数的分布特性

3.3.3峰值压力系数的分布特性

3.3.4最小风压系数与平均风压系数大小的比较

3.4本章小结

本章参考文献

第四章大型体育场膜结构挑蓬的初始形态设计和静力荷载效应的实例分析

4.1引言

4.2工程概况

4.3大型体育场膜结构挑蓬的初始形态设计

4.3.1建模方法和计算模型

4.3.2初始形态设计

4.4大型体育场膜结构挑蓬的静力风荷载效应分析

4.4.1静力风荷载效应试分析

4.4.2膜面预张力的调整

4.4.3抗风索的作用

4.4.4抗风索的预张力的影响

4.4.5拱距和矢跨比的影响

4.5雪与自重作用下结构的反应

4.6本章小结

本章参考文献

第五章膜结构的非线性风振响应分析

5.1引言

5.2膜结构的动力特性

5.2.1膜结构的初始动力特性

5.2.2静力风荷载作用下膜结构的动力特性

5.3膜结构非线性风振响应时程分析方法

5.4膜结构的非线性风振响应算例分析

5.4.1计算模型和风压时程

5.4.2脉动风荷载作用下膜面的振动特性

5.4.3初始预张力对风振响应的影响

5.5.膜结构考虑脉动风效应的简化分析

5.6本章小节

本章参考文献

第六章结语

6.1本文的主要研究成果

6.2展望

后记

勘误表