弦支穹顶结构在地震作用下的动力稳定性研究

摘要

本文采用了将动态增量法与B－R准则相结合的动力稳定分析方法，此方法之前主要应用于框架结构，在通过简单算例证明了该方法的可行性之后，本文将其引入到联方型单层网壳和弦支穹顶结构的动力稳定性研究当中。 对联方型单层网壳的动力稳定性进行了跨度、矢跨比、杆件截而和初始几何缺陷的参数分析，经分析联方形单层网壳动力稳定性变化规律与Kiewitt型单层网壳的相同，因此，对于单层网壳而言，结构选型对于动力稳定性的影响可以忽略。考虑初始几何缺陷动力稳定分析，认为该结构为缺陷敏感性结构，且矢跨比越小，对初始几何缺陷的敏感程度越大。 对弦支穹顶结构的动力稳定性研究表明，通过弦支穹顶结构的动力稳定性和其静力稳定性的比较，表明地震作用下的动力稳定性对于弦支穹顶结构更加不利。对弦支穹顶结构进行上弦网壳塑性杆件比例和索松弛比例的统计表明，结构达到动力稳定临界荷载时，上弦网壳塑性杆件比例大多低于30％，大部分杆件仍处于弹性工作状态，即地震作用下，弦支穹顶结构主要受稳定性控制。 通过对弦支穹顶结构的参数分析表明，由于弦支穹顶结构存在下弦预应力张拉体系，因此，弦支穹顶随矢跨比、上弦杆件截面变化时，结构的动力稳定临界荷载均不具有单调性，这与对联方型单层网壳的动力稳定性研究所得的结论是不同的。在矢跨比、上弦杆件截面、撑杆高度、预应力值四个结构参数的分析中，仅撑杆高度的影响具有单调性。由于需要上、下弦协同工作，因此，在设计弦支穹顶结构时，如果仅改变某一参数，而忽略其他参数的影响，往往不能达到理想的效果。 弦支穹顶结构在动力稳定分析中，对初始几何缺陷十分敏感，因此，在实际工程设计时，应考虑初始几何缺陷对于弦支穹顶动力稳定性影响，从而保证结构的安全。 通过对弦支穹顶结构的动力稳定性研究，为该结构在实际工程中的应用提供理论依据。同时，为索拱结构、张弦梁结构等空间杂交结构的动力稳定分析提供借鉴。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2弦支穹顶结构体系

1.2.1弦支穹顶分类

1.3弦支穹顶研究现状

1.3.1静力研究

1.3.2动力特性研究

1.3.3抗震性能及动力稳定性

1.4动力稳定理论研究现状

1.5动力稳定性研究亟待解决的问题

1.6本论文主要研究内容

第二章弦支穹顶结构的非线性分析

2.1弦支穹顶结构的非线性

2.1.1非线性的分类

2.1.2弹塑性增量有限元分析

2.1.3几何非线性的有限元分析

2.2非线性方程的解法

2.2.1Newton-Raphson法

2.2.2增量法

2.3弦支穹顶结构的有限元模式

2.3.1弦支穹顶结构的基本假定

2.3.2空间梁单元切线刚度矩阵

2.3.3空间杆单元切线刚度矩阵

2.4算例验证

2.4.1材料非线性验算

2.4.2几何非线性验算

2.5本章小结

第三章弦支穹顶结构的动力特性

3.1弦支穹顶结构建模

3.1.1结构建模基本步骤

3.1.2弦支穹顶结构模型参数设置

3.2弦支穹顶结构动力特性分析

3.3弦支穹顶结构的参数分析

3.3.1跨度对结构自振频率的影响

3.3.2矢跨比对结构自振频率的影响

3.3.3上弦杆件截面对结构自振频率的影响

3.3.4撑杆高度对结构自振频率的影响

3.3.5支承条件对结构自振频率的影响

3.3.6预应力对结构自振频率的影响

3.4本章小结

第四章动力稳定性分析

4.1结构动力稳定性

4.1.1常见的动力失稳现象

4.1.2动力稳定判定准则

4.2弦支穹顶结构动力分析方法

4.2.1结构动力分析

4.2.2双非线性动力分析

4.2.3双非线性计算算例

4.2.4动力稳定性计算算例

4.3联方型单层网壳结构的地震反应分析

4.3.1不同地震作用的影响

4.3.2跨度的影响

4.3.3矢跨比的影响

4.3.4杆件截面的影响

4.3.5初始缺陷的影响

4.3.6初始缺陷下的矢跨比影响

4.3.7初始缺陷下的杆件截面影响

4.4本章小结

第五章弦支穹顶动力稳定性分析

5.1弦支穹顶结构的地震反应分析

5.1.1静力稳定计算

5.1.2冲击荷载稳定计算

5.1.3地震作用下的动力稳定计算

5.2参数分析

5.2.1跨度的影响

5.2.2矢跨比的影响

5.2.3杆件截面的影响

5.2.4撑杆高度影响

5.2.5预应力的影响

5.2.6支承条件的影响

5.2.7荷载布置形式的影响

5.2.8初始几何缺陷的影响

5.2.9结构阻尼的影响

5.2.10不同地震作用

5.3本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢