单层索网体育场罩蓬结构分析及施工模拟研究

摘要

现代综合体育运动场越来越大，传统刚性结构体系面临巨大的挑战与困难，轻量化结构体系的探索创新与结构特性的研究具有理论意义与实践价值。本文针对单层索网体育场罩蓬结构体系进行了系统研究。 首先从历史发展，概要归纳了体育场罩蓬结构的形式、特点，重点介绍了柔性结构、半刚性结构，详细论述了索网张力结构的特点。 阐述了非线性位移法、动力松弛法、力密度法和混合法等索网找形方法的特点和适用条件，并编程通过典型算例对各方法进行分析、对比。 根据线性调整理论基本原理，将力密度法与矩阵理论中最小二乘法相结合，提出了一种新的张力结构初应力分析方法。该方法在不考虑索弹性刚度的前提下，运用线性迭代方法求出体系的初始预应力，这样既能大大简化工作量，又能很好地解决多自应力模态张力体系的初始预应力求解问题。编程实现了找力分析方法，进行了索网体育场罩蓬的找力分析研究。 采用两节点索单元U.L.列式，应用牛顿迭代荷载增量法，建立了索网非线性有限元分析算法，系统研究了索网体育场罩蓬结构静力特性。用FLUENT软件，分析了在不同矢跨比和不同风向角风荷载作用下罩蓬结构风压分布变化情况。最后对指定预应力及矢跨比的索网罩蓬结构在均布荷载和非对称荷载作用下的结构静力特性进行分析。索网罩蓬结构具有较好的刚度和承载力，在均布荷载作用下节点位移和单元内力呈线性变化，在非对称荷载作用下具有弱非线性。 分析了索网体育场罩蓬结构的自振特性。首次采用在频域内模态补偿法对索网罩蓬结构的风振响应进行模拟分析。根据Davenport谱函数，推导出风荷载功率谱，然后计算结构传递函数、风激励特征值和广义位移响应谱密度，得出节点位移风振系数。编制相关计算程序，分析了预应力水平、矢跨比和阻尼比等参数对结构风振响应的影响，并给出了节点位移风振系数。 根据两节点索单元建立索网体系平衡方程，用广义逆求解体系运动方程，采用方程特解修正索网运动，建立了索网由无应力态至初步预应力形成过程的分析方法，解决了施工模拟关键性问题。基于初步形态，采用悬链线单元非线性分析方法，由张拉索内力与无应力长度相结合控制迭代，实现了索网整体提升控制过程的数值模拟。根据本文提出的分析理论方法，编制了计算程序，首次对大型索网罩蓬结构由各杆件平摊于地面到逐渐张拉就位的整体提升全过程进行跟踪模拟。 最后总结了研究内容及成果，并提出今后有待解决的其他问题。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1体育场罩蓬结构体系发展

1.2国内外研究现状

1.3主要研究工作

参考文献

第二章索网找形理论和方法分析

2.1引言

2.2平衡方程

2.3非线性位移法

2.4动力松弛法

2.5力密度法

2.6混合法

2.7算例分析

2.8本章小结

参考文献

第三章索网初始张力求解分析方法研究

3.1引言

3.2初始预应力分布常用求解方法

3.3线性调整理论

3.4张力结构找形分析

3.5初始张力分布计算新方法

3.6算例分析

3.7本章小结

参考文献

第四章索网罩蓬结构静力特性分析

4.1引言

4.2索单元列式与非线性有限元分析方法

4.3分析模型

4.4预应力对静力特性影响

4.5矢跨比对静力特性影响

4.6矢跨比对风压分布影响

4.7结构特性分析

4.8本章小结

参考文献

第五章索网罩蓬自振特性及风振响应分析

5.1引言

5.2模态分析

5.3预应力对自振特性影响

5.4风振响应分析方法

5.5风振频域分析法

5.6风振响应计算

5.7本章小结

参考文献

第六章索网罩蓬结构整体提升过程模拟分析

6.1引言

6.2非线性有限元理论

6.3索网张拉提升施工过程

6.4稳定平衡态数值模拟

6.5计算步骤及程序编制

6.6数值算例

6.7本章小结

参考文献

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

致谢

攻读博士期间发表论文