新型索杆张力穹顶结构形态分析及力学性能研究-陆金钰

东南大学土木工程学院新型索杆张力穹顶结构形态分析及力学性能研究报告人:陆金钰2014.11.01第十五届空间结构学术会议

引言

半规则张拉整体单元环形张拉整体结构

新型索杆全张力自平衡体系

力学性能

结论概述1.引言张拉整体:

“由一组离散的受压构件与一套连续受拉构件组成的稳定自平衡结构体系。”应用:

目前主要应用于建筑和艺术领域三棱柱拱形塔形雕塑三棱柱四棱柱截顶四面体将张拉整体引入到索穹顶形成一种新型索杆张力结构体系。能否实现？索穹顶:“一种支承于周边受压环梁上的张力集成或全张力空间结构体系。”

(Geiger,1986)1.引言混凝土环梁及钢桁架环梁1.引言规则张拉整体

很难适应不同形状非规则张拉整体

找形复杂,耗时较多,构件不易设计、制造（罗尧治、许贤,2010）双层张拉整体(Quirantetal.,2003)柱状张拉整体(MurakamiandNishimura,2001)(Zhanget.al,2006)球形张拉整体(Quirantetal.,2003)2.半规则张拉整体单元平衡矩阵力平衡方程关联矩阵

平衡矩阵奇异值分解张拉整体所需满足的条件：得到非零解,A的最小奇异值为零自应力模态张拉整体的几何稳定性：

判定乘积力的正定性机构位移模态(CalladineandPellegrino,1991)经典半八面体张拉整体单元正八面体找形过程梯形变换设计公式最小奇异值分布半规则张拉整体单元2.半规则张拉整体单元2.半规则张拉整体单元单元性质平衡矩阵A的维数:

24×16s=1,

m=3自应力模态

Vs=[0.148,0.174,0.118,0.185,0.148,0.341,0.193,0.254,0.161,0.410,0.380,0.182,-0.242,-0.307,-0.232,-0.285]T几何稳定性√单元拼装轴测图俯视图

×123.环形张拉整体结构局部坐标可行预应力环形张拉整体的初始预应力及协同找形后的初始预应力

前20阶自振频率f(Hz)=[3.7356,3.7357,4.0665,4.0665,7.7179,8.3871,8.3871,10.787,10.787,11.671,11.671,11.896,13.257,14.141,14.141,15.191,15.191,16.825,16.826,19.052]Tn=12,2R=50m,θ=60°参数：截面积：

8.243×10-3m2（杆）;1.924×10-3m2（索）弹性模量：

2.06×105Mpa（杆）;1.95×105Mpa（索）

压杆屈服强度：

360Mpa拉索极限强度：

1670Mpa3.环形张拉整体结构3.环形张拉整体结构参数化建模n=8,2R,θ=90°n=16,2R,θ=0°3.环形张拉整体结构体系构成环形张拉整体+索穹顶4.新型索杆全张力自平衡体系共用索

Levy型可行预应力初始预应力及协同找形后的初始预应力

参数：截面积：环形张拉整体：8.243×10-3m2（杆）;1.924×10-3m2（索）索穹顶：4.155×10-4m2（杆）;2.886×10-4m2（索）弹性模量：

2.06×105Mpa（杆）;1.95×105Mpa（索）

压杆屈服强度：

360Mpa拉索极限强度：

1670Mpa4.新型索杆全张力自平衡体系前20阶自振频率f=[3.4872,3.4873,6.4966,6.4966,6.8789,6.8790,9.0420,10.790,12.603,12.603,14.355,14.355,14.817,15.860,15.861,16.190,16.190,16.770,16.770,16.997]T前6阶自振模态4.新型索杆全张力自平衡体系实物模型n=12,2R=0.8m,θ=60°4.新型索杆全张力自平衡体系实物模型n=12,2R=2m,θ=60°4.新型索杆全张力自平衡体系参数分析5.力学性能n=122R=50mθ=60°θ=67.5°基准参数β=1.0β=1.3γ=1.0γ=1.1β=1.6γ

=1.2β=0.6β=0.8θ=52.5°γ=0.8γ

=0.9β：环形TS索杆面积系数γ：环形TS预应力水平系数θ：环形TS单元倾角5.力学性能β：环形TS索杆面积系数影响刚度增大5.力学性能γ：环形TS预应力水平系数影响刚度增大5.力学性能θ：环形TS单元倾角影响刚度增大6.结论基于半八面体张拉整体单元的几何和拓扑关系，提出了一种新型半规则张拉整体单元。给出了环形张拉整体结构的构造方法以及结构整体可行预应力。

以环形张拉整体结构作为周边环梁，中部引入索穹顶与之无缝对接，构建了新型索杆张力结构体系，并计算了可行预应力。

通过多参数数值分析表明环形张拉整体结构与索穹顶结构能获得较好的协同工作性能及整体刚度，且环梁具有刚度可调特性。未来更多有关该结构体系的静动力学性能和施工方法等工作将会开展，使其能满足实际工程应用。6.结论动画展示恳请各位专家批评指正谢谢!力学性能参数:预应力（T）60°/0.8T

/1A49.8mm60°/1.0T

/1A49.3mm60°/1.2T

/1A48.7mm刚度索杆张力结构体系刚度60°/1.0T

/0.6A53.1mm力学性能参数:截面积（A）60°/1.0T

/1A49.3mm60°/1.0T

/1.6A44.6mm刚度索杆张力结构体系52.5°/1.0T

/1A60.4mm力学性能60°/1.0T

/1A4