张拉式环形内挑顶蓬结构分析研究

摘要

在阅读了大量国内外相关文献资料及国内有关张拉整体结构研究的硕博学位论文的基础上,本文首先回顾并系统总结了张拉整体结构体系的发展历史、国内外研究现状及其在工程实践中的应用情况.概括了张拉整体结构体系的概念、形态及其结构特点和优点,从而完成张拉整体结构的概念性研究.介绍了张拉整体结构的几何非线性增量形式平衡方程及有限元基本方程,推导了两节点索单元的刚度矩阵,介绍了索单元与杆单元的区别和非线性方程组求法的选用以及收敛原则.其次,依据张拉整体结构体系的思想,本文详细介绍了张拉式环形内挑顶蓬这一新型结构的构成形式及其结构特性.选用ANSYS分析软件对顶蓬结构进行预张拉状态和工作态的静动性能分析与计算,研究了顶蓬结构在竖向荷载作用下的内力、位移力流方向等静力特性以及顶蓬这一新型结构的各构件在不同竖向荷载作用下的内力分布和节点位移情况.研究了空间几何形状、压杆高度、初始预应力、竖向荷载作用等不同参数对顶蓬结构静力特性的影响,并分析顶蓬结构各构件的内力和节点位移在不同参数下的变化情况.接着,本文采用结构动力学理论以及子空间迭代法对顶蓬结构进行自振特性的有限元分析,弄清顶蓬结构各阶频率及对应的振型以及结构各向刚度分布的情况,掌握了顶蓬结构的基本自振特性.研究初始预应力、体系质量、索截面面积、矢跨比等不同参数对顶蓬结构自振特性的影响,分析了顶蓬结构的频率和对应的振型在不同参数下的变化情况以及其质量和刚度是否匹配的问题.然后,本文利用空间多维地震振型分解反应谱法研究了顶蓬结构在常遇地震下的抗震性能问题,分析了顶蓬结构各构件的动内力分布规律.讨论和分析振型组合数、地震维数、索截面面积、体系质量、初始预应力等对顶蓬结构动内力的影响以及结构的动内力和动位移在不同参数下的变化情况.同时还对振型组合方法进行了比较分析,对其合理性进行探讨.对张拉式环形内挑顶蓬这一新型结构体系在地震作用下的受力性能作了较深入的研究,从而得出一些有益于结构设计的结论.最后,在对张拉式环形内挑顶蓬结构进行系统研究和分析的基础上,对这一新型张拉整体结构的静动性能作出了评定,并对全文的研究工作进行了总结,对需要改进之处以及今后须进一步开展的研究工作提出了建议.希望张拉式环形内挑顶蓬结构能够在体育场的看台顶蓬的工程应用中占有一席之地,更希望本论文能够为张拉整体结构在我国的实现和广泛推广应用起到一定的促进作用.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2张拉整体结构发展与研究现状

1.2.1张拉整体结构发展的历史

1.2.2张拉整体结构研究与工程实践

1.3张拉整体结构的结构特点及其优点

1.3.1张拉整体结构的结构特点

1.3.2张拉整体结构的优点

1.4张拉整体结构的分析设计理论

1.4.1非线性分析理论

1.4.2形态分析理论

1.5本文的研究内容及主要工作

第二章张拉整体结构几何非线性有限元分析

2.1引言

2.2基本假定

2.3几何非线性增量形式平衡方程及有限元基本方程

2.4空间两节点铰接索单元的非线性有限元法分析

2.4.1单元的剖分和坐标系的建立

2.4.2几何条件

2.4.3物理条件

2.4.4应变矩阵及变换矩阵

2.4.5单元的切线刚度矩阵

2.4.6索单元的不平衡力

2.4.7有限元基本方程的建立

2.4.8索杆单元的区别

2.5非线性方程组求解与收敛准则

2.5.1非线性方程组的求解

2.5.2迭代收敛准则

第三章张拉式环形内挑顶蓬结构的构想和静力计算与分析

3.1引言

3.2张拉式环形内挑顶蓬结构的构想及其初步形状分析

3.2.1张拉式环形内挑顶蓬结构描述

3.2.2张拉式环形内挑顶蓬结构的形状变化分析

3.2.3张拉式环形内挑顶蓬的结构特点

3.3张拉式环形内挑顶蓬结构的计算模型建立及计算软件介绍

3.3.1计算模型的构成形式

3.3.2有限元分析软件ANSYS简介

3.4张拉式环形内挑顶蓬的计算模型设计计算

3.4.1成形态计算分析

3.4.2顶蓬结构在竖向荷载作用下的计算分析

3.5本章小结

第四章张拉式环形内挑顶蓬结构的静力特性分析

4.1引言

4.2空间几何形状对结构内力的影响

4.2.1不同a与b比值对结构内力的影响

4.2.2不同高度比对结构内力的影响

4.3不同荷载作用对结构内力的影响

4.4不同预应力态对结构的受力影响

4.5不同压杆高度对结构的受力影响

4.6本章小结

第五章张拉式环形内挑顶蓬结构的动力特性分析

5.1引言

5.2张拉式环形内挑顶蓬结构自振特性的有限元法分析

5.3张拉式环形内挑顶蓬结构的自振特性分析

5.4张拉式环形内挑顶蓬结构自振特性的结构参数分析

5.4.1索截面面积变化对结构自振特性的影响

5.4.2索中预应力变化对结构自振特性的影响

5.4.3体系质量变化对结构自振特性的影响

5.4.4矢跨比的变化对结构自振频率的影响

5.5本章小结

第六章张拉式环形内挑顶蓬结构的地震反应分析

6.1引言

6.2张拉式环形内挑顶蓬结构的反应谱法地震响应分析

6.3张拉式环形内挑顶蓬结构的地震反应实例分析

6.3.1顶蓬结构的地震响应和抗震性能分析

6.3.2地震维数的影响

6.4结构参数对张拉式环形内挑顶蓬结构地震反应的影响分析

6.4.1索截面面积变化对结构地震反应的影响

6.4.2索中预应力变化对结构地震反应的影响

6.4.3体系质量变化对结构地震反应的影响

6.5模态组合方式比较分析

6.6本章小结

第七章本文结论与建议

致谢

参考文献