索支持空间网格新体系研究

目录

前言

第1章 索支撑空间网格玻璃采光顶结构 1

参考文献 6

第2章 索支撑空间网格结构表面平移法 9

2.1 表面平移法基本原理 10

2.2 滑动平移法 12

2.3 缩放平移法 12

2.4 工程案例 14

参考文献 17

第3章 基于表面平移法的自由曲面索支撑空间网格结构形态优化 18

3.1 自由曲面索支撑空间网格结构形态优化方法 18

3.1.1 优化算法 18

3.1.2 目标函数 23

3.1.3 优化变量和状态变量 27

3.1.4 以应变能为目标函数的共轭梯度法的实现 27

3.1.5 基于表面平移法的形态优化 29

3.1.6 优化方法验证 33

3.2 基于表面平移法的自由曲面索支撑空间网格结构形态优化 37

3.2.1 滑动平移法自由曲面索支撑空间网格结构算例分析 37

3.2.2 缩放平移法自由曲面索支撑空间网格结构算例分析 40

3.3 B样条曲线自由曲面索支撑空间网格结构形态优化 43

3.3.1 光顺的定义 44

3.3.2 B样条曲线 45

3.3.3 B样条曲线自由曲面索支撑空间网格结构优化方法 47

3.3.4 算例分析 49

3.3.5 自由曲面索支撑空间网格结构光顺评价 51

3.4 索支撑空间网格结构优化过程及优化目标比较 53

3.4.1 自由曲面索支撑空间网格结构优化过程力学性能分析 53

3.4.2 自由曲面索支撑空间网格结构单目标形态优化 58

3.5 自由曲面索支撑空间网格结构的多目标形态优化 64

3.5.1 目标函数分类与组合 64

3.5.2 多目标形态优化理论 65

3.5.3 算例分析 68

参考文献 73

第4章 索支撑空间网格结构装配式节点 76

4.1 装配式节点介绍 76

4.2 索支撑空间网格结构装配式节点设计及构造 78

4.2.1 节点设计依据 78

4.2.2 索支撑空间网格结构装配式节点构造 81

4.3 装配式节点足尺静力试验 83

4.3.1 试验方案 83

4.3.2 节点破坏模式 89

4.4 SSB节点试验结果及数值模拟 93

4.4.1 节点数值模型简化 93

4.4.2 SSB节点试验结果及数值模拟 95

4.4.3 节点参数影响 141

4.5 SSB节点静力性能 145

4.5.1 节点平面外刚度 145

4.5.2 节点平面内刚度 157

4.5.3 垫片对节点性能的影响 168

4.5.4 SSB节点构造要求 172

参考文献 175

第5章 装配式索支撑空间网格结构静力稳定性能 176

5.1 装配式索支撑空间网格结构整体模型 176

5.1.1 装配式节点有限元模型 176

5.1.2 装配式节点弹簧刚度 177

5.1.3 装配式节点有限元模型验证 181

5.2 SSB节点索支撑空间网格结构静力性能研究 187

5.2.1 结构形式及构件尺寸 187

5.2.2 设计荷载作用下的静力分析 189

5.2.3 稳定分析 196

5.3 垫片对装配式索支撑空间网格结构静力稳定性的影响 207

5.3.1 模型参数 207

5.3.2 垫片对索支撑空间网格结构静力稳定性的影响 208

5.4 索支撑空间网格结构整体稳定性能对装配式节点力学性能要求 216

5.4.1 模型参数 216

5.4.2 节点转动刚度 216

5.4.3 节点面外极限弯矩 225

5.4.4 节点塑性极限位移 230

5.4.5 装配式索支撑空间网格结构稳定承载力估算 232

参考文献 234

第6章 解析曲面索支撑空间网格结构稳定承载力公式 235

6.1 具有初始缺陷椭圆抛物面索支撑空间网格结构静力稳定性能 235

6.1.1 具有初始缺陷椭圆抛物面索支撑空间网格结构稳定基本方程 235

6.1.2 具有初始缺陷椭圆抛物面索支撑空间网格结构稳定基本方程求解 242

6.1.3 索支撑网格等代刚度 247

6.1.4 算例验证 249

6.1.5 误差分析 250

6.2 具有初始缺陷联方柱面索支撑空间网格结构静力稳定性能 253

6.2.1 具有初始缺陷联方柱面索支撑空间网格结构稳定基本方程 253

6.2.2 具有初始缺陷联方柱面索支撑空间网格结构稳定基本方程求解 256

6.2.3 联方索支撑网格等代刚度 261

6.2.4 算例验证 264

6.2.5 误差分析 265

参考文献 269

彩图 2100433B

索支撑空间网格结构是一种适合于玻璃采光顶结构的新型单层网壳结构形式，其网格单元为平面四边形，通透性高且玻璃加工方便。本书针对索支撑空间网格结构的形态优化、装配式节点力学性能及结构整体稳定三个关键问题进行研究，提出了基于准线和母线的多目标形态优化方法，通过试验和有限元数值模拟研究了装配式节点的力学性能，揭示了装配式索支撑空间网格结构的失稳机理，满足不同结构整体稳定性能要求的装配式节点力学性能要求，推导了具有初始缺陷的解析曲面索支撑空间网格结构稳定承载力计算公式。

大跨度索杆张力结构由于其自身的特点，结构的承载潜力将在服役期间的绝大部分时间里得不到充分发挥，甚至永远被埋没。荷载缓和体系是一种在结构中引入某种装置，当外部作用发生变化时，由缓和装置自动调整结构的受力性状，达到自我调节、自我保护的结构体系。将荷载缓和体系的基本思想应用到索杆张力结构中，无疑更能发挥索杆张力结构的优势。本项目将通过新型缓和装置的构建，研究荷载缓和体系中杆长刚体和滑轮节点的几何约束、运动效率和稳定原则；借鉴展开结构的分析方法，建立索杆张力结构中的缓和装置体系的计算理论；对结构往复调节过程进行数值模拟，分析其运行特性，探讨结构在偶然荷载下体系的动力特性及性能，并通过模型试验进行验证。本项目的研究将全面建立荷载缓和体系的分析理论，进一步改善索杆张力结构的受力性能，为大跨度索杆张力结构荷载缓和体系的应用提供坚实的理论基础。 2100433B

预应力索杆结构构型新颖、高效，借助体内自平衡预应力形成或改善结构刚度，具有很强的生命力和良好的工程应用前景。针对新型预应力索杆体系设计中的刚度不确定性问题及结构构型与结构性能相互耦合的问题，本项目引入了群集理论方法，开展了预应力索杆体系刚度解析及形态优化研究。主要包括：（1）研究了索杆体系静动不定性及其演变机理，定性分析了节点偏差、构件拓扑、外荷载等多种因素影响下机构位移模态和自应力模态的对称表示及其变化机制，并完善了索杆结构预应力稳定性的判定方法；（2）分别从对称子空间、节点与构件层次对索杆体系的弹性刚度、几何刚度、结构整体刚度进行解析，给出了评判对称索杆结构稳定性的充分和必要条件；（3）归纳了百余种对称群及五类对称操作，开发了群论工具箱，根据对称操作的等效变换以及相应矩阵的不可约表示，提出了基于群论的结构对称性自动识别方法，有效拓展群论方法在工程领域的应用范围；（4）利用全对称子空间的物理意义，提出了高效求解结构整体自应力模态的方法；在此定性分析基础上，分别以预应力和拓扑关系为自变量，并充分考虑了结构对称性、结构刚度及初始预应力分布特点，采用两种独立的约束优化模型，提出了基于蚁群算法的预应力索杆体系形态优化方法。本项目培养研究生4名，已发表SCI论文14篇（其中JCR Q1论文7篇、ASCE论文3篇）；围绕索杆结构找形、结构对称性识别等方面解决了数个关键技术问题，申请了发明专利10项，已授权6项。项目研究成果一方面丰富和发展了索杆体系研究的理论与方法；另一方面为开发大型预应力索杆体系提供新的技术手段与参考。 2100433B

预应力索杆结构构型新颖、高效，借助体内自平衡预应力形成或改善结构刚度，具有很强的生命力和良好的工程应用前景。针对新型预应力索杆体系设计中的刚度不确定性问题及结构构型与结构性能相互耦合的问题，本项目引入群论方法，开展预应力索杆体系刚度解析及形态优化研究。主要内容包括：（1）研究索杆体系静动不定性及其机理，定性分析机构位移和自应力模态的对称表示，并完善索杆结构预应力稳定性的判定方法；（2）对索杆体系的弹性刚度、几何刚度、结构刚度进行解析，给出评判对称索杆结构稳定性的充分和必要条件；（3）根据等效变换的不可约表示，提出基于群论的结构对称性自动识别方法；（4）分别以预应力和拓扑关系为自变量，并考虑结构性能、经济性和对称性，采用两种独立的约束优化模型，提出基于蚁群算法的预应力索杆体系形态优化方法。本项目一方面丰富和发展索杆体系研究的理论与方法；另一方面为开发大型预应力索杆体系提供新的技术手段与参考。