环形张拉整体结构的理论研究与平面内三向轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力研究和实用计算方法

摘要

本文的研究工作包括两部分：一部分是环形张拉整体结构的理论研究，另一部分是平面内三向轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力研究和实用计算方法。以下将分别对这两部分内容进行介绍。 张拉整体结构是一种由受拉构件(索)和受压构件(压杆)构成的索杆结构。Tensegrity一词是tensile和integrity两词的缩写，首先由美国人Fuller提出。自Snelson在1948年制作了第一个张拉整体结构的模型以来，在过去的60年里，学者们对各种不同的张拉整体结构进行了研究。在这些研究中，正圆柱形张拉整体结构和球形张拉整体结构是被研究得最多的两种基本张拉整体结构。一些学者，如Sultan和Nishimura，对这两种基本张拉整体结构进行了详细的研究，并得出了其找形的解析解。 但是作为另一种基本的几何拓扑形态，环形张拉整体结构却很少受到学者和工程师们的关注。本文提出了一种全新拓扑形式的环形张拉整体结构，并对其进行了多方面的研究。 首先本文对这种新的环形张拉整体结构的拓扑和找形问题进行了详细的研究，提出了一般环形张拉整体结构找形的通用步骤，并对于简单环形张拉整体结构给出了解析解。然后，本文对环形张拉整体结构的静力和动力特性进行了初步分析。同时，通过把环形张拉整体结构作为索穹顶的环梁，提出了一种完全张拉整体式的，自平衡的新型索穹顶体系，并对其找形方法和结构性能进行了分析。在环形张拉整体结构的基础上，本文还对其结构形式进行了拓展，提出了新型拓扑关系的正圆柱形张拉整体结构，张拉整体曲梁，张拉整体拱和张拉整体拱壳。 焊接空心球节点是网架、网壳中应用最广的节点形式之一。在实际单层网壳结构中，焊接空心球节点常受到三向轴力的作用或三向轴力和弯矩的共同作用。而且随着工程科技的发展，不断出现了一些新型的空间结构，如2008年北京奥运会国家游泳中心“水立方”，杆件同时受较大的轴力和弯矩作用，这就给焊接空心球节点的设计提出了新的课题。 焊接空心球节点在单向轴力作用与单向轴力和弯矩共同作用下承载力的理论和试验研究已进行了多年，但对三向轴力作用下或三向轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点的受力性能与设计方法的研究尚属空白， 本文根据实际单层网壳结构中焊接空心球节点常受到近似于平面内三向轴力作用或近似于平面内三向轴力与弯矩共同作用的特点，采用八节点六面体实体单元SOLID45、理想弹塑性应力应变关系和Von-Mises屈服准则，同时考虑几何非线性，建立了焊接空心球节点的有限元模型，对承受平面内三向轴力或平面内三向轴力和弯矩共同作用下的焊接空心球节点进行大量的非线性有限元分析，并在此基础上提出了实用计算方法和公式。本文的研究成果可供实际工程采用，也可供相关规程修订时参考。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章环形张拉整体结构的拓扑和找形

第三章环形张拉整体结构的静力和动力分析

第四章环形张拉整体结构的应用和张拉整体结构形式的进一步研究

4.1引言

4.2索穹顶体系概述

4.3环形张拉整体结构作为索穹顶环梁的新型结构体系的拓扑

4.4环形张拉整体结构作为索穹顶环梁的新型结构体系的找形

4.5新型索穹顶体系的静力分析

4.6新型索穹顶体系的动力分析

4.7张拉整体结构形式的进一步研究

4.8张拉整体结构的CAD系统的开发

4.9本章小结

参考文献

第五章平面内三向轴力作用下焊接空心球节点承载力研究和实用计算方法

第六章平面内三向轴力和弯矩共同作用下焊接空心球节点承载力研究和实用计算方法

第七章本文的结论和展望

致谢