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跨度 立体 桁架 动力 非线性 分析

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河北工程大学文 献 综 述课题名称 大跨度斜拉立体桁架静动力非线性分析 学 号 姓 名 学科专业 指导教师 填表日期 2010年5月 河北工程大学土木工程学院毕业设计论文 2010年大跨度斜拉立体桁架静力非线性分析0引言：随着经济发展与社会的进步，人们一直为争取较大的建筑空间而不懈的努力。古代时，人们用木材建造的宫殿和寺庙只有2430米的跨度，古罗马人用砖石建筑的拱顶或弯顶，其跨度最大也不过40多米。新的建筑材料水泥和钢铁出现以后，人们建造桁架、拱、薄壳和刚架这些形式的屋盖来获得更大的空间。20世纪近几十年，由于科学技术的发展和生产力水平的大大提高，大跨度屋盖结构在国内外以前所未有的速度蓬勃发展。计算机的广泛应用以及高强度材料和新型材料的出现，极大地促进了大跨度屋盖结构的发展，为创造出许许多多丰富多样的结构形式打下了基础1。大跨度结构由原来的梁式、框架式和拱式等平面结构体系，发展到各种类型的空间结构体系，如平板网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构体系等，这类结构大部分采用钢结构，自重轻，整体性好，有强大的跨越能力，在一些大型的公共建筑如体育场馆、游泳馆、展览馆、候车厅、候机楼、会堂、大型室内游乐中心、商业中心及一些大型工业建筑如飞机库、厂房等得到了广泛的应用。习惯上大跨度空间结构分为薄壳结构、网架结构、网壳结构、悬索结构和膜结构五大类。后来，有的学者在五大类的基础上，将平板型的网架结构和曲面型的网壳结构合并总称为网格结构，将悬索结构和膜结构合并总称为张拉结构，这样大跨空间结构归并为三大空间结构。然而，以上分类方法难以概括近年来发展中出现的新结构，也难以反映新结构的构成及其特点2。有的学者提出将空间结构按照基本单元种类来划分，因为大跨度空间结构的计算主要依靠计算机，采用有限元方法，不同的结构，计算采用的单元不同。按单元划分结构比较合理。文献1将组成空间结构的基本单元归纳为五种，即壳板单元、梁单元、杆单元、索单元和膜单元。一种单元或多种单元集合便构成各种各样具体形式的空间结构。按单元划分结构，能较好的反映不同结构的受力特点。这与我国新颁布的网壳结构技术规程是一致的。另外，这种划分对尚未出现的新结构形式留有较大空间。目前大跨度结构的建造和所采用的技术已成为衡量一个国家建筑水平的重要标志。在结构跨度较大的情况下，传统单一的结构形式越来越难以满足需要，于是，一种形式新颖、协同工作的“杂交结构体系”应运而生。所谓“杂交结构”(HSHybrid Structures)是将几种不同类型的结构体系组合成为一种新的结构体系，它能进一步发挥不同类型结构的优点，克服缺点丰富建筑造型，改善总体力学性能，提高结构的跨越能力，因此，越来越受到人们的关注。杂交体系按照其组合方式的不同可分为以下三类：第一类为刚性结构体系之间的组合；第二类为柔性结构体系与刚性结构体系的组合，属于半刚性结构，这种又可分为斜拉结构和预应力结构3。第三类为柔性体系之间的组合，如柔性拉索与索网的杂交，柔性拉索与膜材之间的组合形成的索一膜结构。索一膜组合结构体系由于膜材的日益增多，近年来发展较快，结构的主要受力构件为高强度受拉钢索和轻质的受拉膜材，可以通过施加预应力，合理的改变构件的受力分布，提高结构的整体抵抗外部效应的性能，充分发挥材料的潜力，容易跨越较大的跨度，具有良好的经济性4。总之，杂交结构潜在的优势和应用方面的多样性，可以预期“杂交”将是今后空间钢结构发展和创新的重要途径。1国外现状：国外文献12论述了斜拉桥的理论及其设计方法，M S Troitsky 5研究了斜拉索的发展，指出索结构代表土木工程发展的前沿，概括了在桥梁工程和屋盖结构方面所涉及到的索材料、分析方法、各种结构形式等问题。文献6概括了拉索在屋盖中的作用，指出拉索不仅可以控制结构的位移和应力，而且为结构提供刚度，充分发挥材料各自的性能。文献14对屋面的设计荷载进行了分析研究，Krishna 7论述了拉索结构的静力问题和合理的形体选择。2国内现状：我国最早研究斜拉结构是在1990年，北京市建筑设计院对国家奥林匹克体育中心综合体育馆斜拉网壳进行研究，通过理论分析与模型试验，研究了该结构的静力和动力特性，研究了松索、塔顶位移、斜拉索张拉力对结构的影响。后来，浙江大学、东南大学、冶金部建筑研究院等单位对此类结构也展开了研究。在静力分析方面，文献7.8分别建立和求解网架结构及塔柱的刚度方程，考虑了结构大位移的影响和拉索自重所产生的垂度两项几何非线性，求解所有杆件的内力，研究了不同布索、塔柱截面形式、塔柱刚度和高度、斜拉索刚度对四柱支承的斜拉正交正放网架结构静力性能的影响；肖炽9通过对四柱支承及周边支承的斜拉正放四角锥网架多种方案的计算，研究了不同布索、索预拉力、塔柱高度及不同网架结构跨度的影响；王仕统、王伯宁、姜正荣10提出了斜拉网格结构不同受力阶段组合有限元分析方法，研究了斜拉正交正放网架结构不同的索预拉力、塔柱刚度和高度时结构的静力特性。在动力方面，文献1对四柱支承的斜拉网架结构进行了动力特性分析，计算表明，这种结构自振频率比较密集，振动特性复杂，在塔柱刚度较小时，基频为水平振动，随着塔柱刚度或节点集中质量的增加，结构基频由水平变为竖向振动。文献2研究了斜拉网壳结构的动力特性和非线性地震响应。在极限承载力方面，文献11首次对斜拉双层网壳进行了极限承载力研究，分析中同时考虑了几何非线性、杆单元的材料非线性，得出斜拉网壳的承载能力比普通网壳的承载能力有较大的提高。文献7, 8对浙江黄龙体育中心体育场挑蓬斜拉网壳结构的结构整体模型以及斜拉索锚固节点进行了实验研究，研究了这种结构的受力性能。文献8将网架结构对柱子的支撑作用及网架结构对斜拉索在网架结构平面的约束简化为等效弹簧，对钢柱子的稳定性进行了研究，结果表明，斜拉索和网架结构的弹性支撑大大提高了塔柱的稳定承载力。在理论研究的同时，对理论分析模型或实际工程模型进行了静、动力特性试验，验证了理论分析的正确性和可靠性。赵鹏飞12对深圳游泳馆的风振响应进行了分析，熊衡峰13对单层斜拉网格结构的风振响应进行了研究，考虑了拉索风振效应对结构的整体风振响应的影响。文中指出，设置拉索后结构的风振响应减小。只有当索力较小时，拉索风振才对部分拉索的内力响应有一定的影响。总的来说，拉索风振对结构的整体风振影响较小。文献5对广东现代国际展览中心大跨度斜拉网架结构采用非线性单元模拟隔震装置(隔震器的设置位置在钢塔柱与混凝土柱之间)，研究这种结构形式的隔震性能。斜拉网架采用支座隔震结构后，自振周期有了明显增大，有效地避开了地震卓越周期，从而达到减震的目的。采用隔震措施后，在地震作用下上部结构加速度峰值明显得到减小；而且斜拉网架的前3个振型都表现为刚体位移，变形主要集中在隔震部位。3总结：现在，国内外斜拉桥的主跨跨径可达到1500m，斜拉结构在扩大跨度上具有十分巨大的潜力，而大跨度屋盖体系的跨度在一、二百米范围内发展，所以把斜拉桥中经常使用的索用到建筑工程上，和立体桁架组合形成斜拉立体桁架体系应该是可以满足这一要求。此外，立体桁架也可以做成各种曲线形状，满足现代建筑师的造型要求。由此可见，对这种“杂交”体系进行系统的研究是很有必要的。然而，与斜拉结构日益增多的工程应用相比，其分析理论和方法相对滞后。在极限承载力确定，非线性静力与稳定分析，线性、非线性地震响应分析、风振响应分析和换索时结构的内力分析等方面尚缺乏系统深入研究，甚至还有空白，亟待充实和完善。可以预见，充分的理论准备必定给斜拉结构的进一步应用提供强大的推动力。4. 参考文献：1 董石麟，论空间结构的形式和分类，土木工程学报，2004，37(1)，7122 严慧，斜拉网架结构静力、动力特性的研究.，工程力学增刊1994，137913843 刘建华，张建国，徐国彬， 斜拉网架性能研究及力学分析，铁道标准设计，1999，12，34364 邓华，董石麟，深圳游泳跳水馆主馆屋盖结构分析及风振响应计算.，建筑结构学报，2004，45 M S Troitsky ，Cable-stayed bridges-theory and design ，Crosby Lockwood，Staples，London，19976 Osamu Hosozawa，The role of cables in large span spatial structures: introduction of recent space structures with cables in Japan，Engineering Structures，1999，7958047 Krishna，Cable suspended roofs M，McGraw Hill，19788 周岱，董石麟，斜拉网壳结构的非线性静力分析，建筑结构学报，1999，VOL20(1)，16229 肖炽，殷为民，斜拉网架合理形体研究A ，中国土木工程学会桥梁分会第六届空间结构学术会议论文集C，北京地震出版社，1992 ，27528210 王仕统，王伯宁，