平面索桁架形态分析与张拉索膜结构动力特性分析

摘要

建筑师的使命是探寻一种简约建筑和原生态建筑。因为在当代空间、土地、材料和能源及其有限的条件下，需要更轻巧、更节能、更灵活且更具适应性的建筑，膜结构正是无数建筑师和设计人员不懈索求的结果。 薄膜结构刚度小、重量轻，对风等低频动荷载较为敏感，其动力反应分析是结构分析和设计中不可或缺的方面，而对其自振等动力特性的了解是动力反应分析的基础。因此，研究结构的动力特性有重要的意义。结构动力特性取决于结构的质量和刚度。其中质量的影响机理较为简单，且对薄膜结构而言其变化幅度不大。而影响薄膜结构刚度的因素比较复杂，其中膜面预应力、失跨比和跨度对刚度具有显著影响且变化幅度较大。 本文利用张拉索膜结构分析和设计软件CAFA(杨庆山，2004)先进行形态分析，确定其形状，得到刚度和质量矩阵，然后编制Fortran程序，利用子空间迭代法求解频率方程，对薄膜结构的动力特性进行了分析，并主要讨论预应力、矢跨比、跨度、边索预应力、膜面索以及边界支承条件的影响。结果表明，薄膜结构频率密集，连续成丛分布并且有多个频率重迭；刚性边界跨度较小的薄膜结构的频率较高；跨度较大且比较平坦的大面积薄膜曲面的频率较低，并且分布非常密集；支承体系与膜面索对自振频率影响不显著，但会使结构的振型发生较大的变化。 索桁架是由一系列下凹的承重索和上凸的稳定索，以及它们之间的连系杆(拉杆或压杆)组成。索本身在非张力状态下不具有承载所必需的形状和刚度，其初始形状和刚度是根据其预应力状态和边界条件由平衡方程计算，即形态分析得到。确定结构的形状之后，才能对其进行静力分析和动力分析。本文采用考虑几何非线性的有限元法对索桁架结构进行形态分析，并编制相应的程序，在形态分析的基础上应用子空间迭代法对索桁架进行自振特性的分析，得到相应的频率和振型。结果表明该方法迭代步少。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第1章绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究意义

1.3研究现状

1.3.1形态分析

1.3.2裁剪分析

1.3.3荷载分析

1.3.4软件开发

1.3.5尚需完成的工作

1.4本文主要工作

第2章索桁架的形态分析及动力特性分析

2.1前言

2.2几何非线性理论分析

2.2.1计算假定

2.2.2局部坐标系下的单元平衡方程

2.2.3转换坐标

2.2.4整体坐标系下的单元平衡方程

2.2.5结构平衡方程

2.3索桁架结构找态分析

2.4索桁架结构动力特性分析

2.4.1.模态分析的原理

2.4.2边界条件的引入

2.4.3动力特征方程的求解方法

2.5程序实现

2.5.1程序流程图

2.5.2程序实现

2.6算例

2.7结论

第3章张拉索膜结构动力特性分析

3.1张拉索膜结构动力分析方法

3.1.1几何非线性分析

3.1.2动力特性分析

3.2程序实现

3.3算例

3.4结论

第4章张拉索膜结构动力特性参数分析

4.1刚性边界方形平面双曲抛物面薄膜结构的自振特性

4.1.1膜面预应力对动力特性的影响

4.1.2矢跨比对自振特性的影响

4.2张拉索膜结构自振频率

4.2.1柔性边界

4.2.2膜面索的影响

4.3考虑支承体系影响的自振特性分析

4.4结论

第5章结论和展望

参考文献

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