【摘要】：縱觀建筑歷史,人類對(duì)更大跨度建筑的追求從未停止。特別是最近幾個(gè)世紀(jì),伴隨著高性能材料的應(yīng)用,建筑物的跨度記錄在不斷被刷新。但隨著建筑結(jié)構(gòu)跨度的逐漸增長(zhǎng),僅僅依靠增大構(gòu)件截面,提高材料強(qiáng)度,已經(jīng)不能很好地滿足建筑結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求,必須從結(jié)構(gòu)形式上尋求突破。為實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)千米級(jí)的超大跨度,將超大跨度懸索橋與巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)結(jié)合起來,形成了新的結(jié)構(gòu)體系——懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu),其受力性能和經(jīng)濟(jì)性能值得進(jìn)一步探究。本課題借助ANSYS有限元分析軟件,建立了1000m跨度五種懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的整體參數(shù)化模型,并對(duì)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初始形態(tài)分析,較為精確地獲得了結(jié)構(gòu)初始形態(tài)和懸索內(nèi)部預(yù)應(yīng)力;在此基礎(chǔ)上分析了其在各種荷載工況下的靜力性能和穩(wěn)定性能;對(duì)索塔結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了精細(xì)化建模與分析,完善了整體模型;針對(duì)懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的幾何控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析;考查了極端情況下,單根吊索斷裂后結(jié)構(gòu)的受力性能。主要研究?jī)?nèi)容有以下幾部分:分析肋環(huán)型、兩種施威德勒型、凱威特型和三向網(wǎng)格型巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的幾何拓?fù)潢P(guān)系,設(shè)計(jì)了與之對(duì)應(yīng)的懸索布置方案,編制了五種懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)自動(dòng)化、參數(shù)化建模程序,并通過對(duì)懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行初始形態(tài)分析,獲得了上部懸索結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)和初始內(nèi)部預(yù)應(yīng)力,為進(jìn)一步分析提供了條件。分析了各結(jié)構(gòu)在12種荷載工況下的靜力受力性能,獲得了該類結(jié)構(gòu)的控制荷載工況;研究了荷載不對(duì)稱分布對(duì)該類結(jié)構(gòu)受力性能的影響;通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載-位移全過程分析,考查了該類結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。對(duì)索塔進(jìn)行精細(xì)化建模,并通過對(duì)塔柱傾斜程度、橫梁布置數(shù)量及位置和塔柱橫梁剛度比等重要參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析,對(duì)索塔形式進(jìn)行了優(yōu)化分析。設(shè)計(jì)出一種經(jīng)濟(jì)適用的索塔形式,對(duì)比分析了索塔模型細(xì)化前后懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的受力性能。針對(duì)懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的幾何控制參數(shù),如下部巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的矢跨比和分割數(shù)、立體桁架的高跨比等,分析得到了結(jié)構(gòu)的靜力性能隨之變化的規(guī)律,總結(jié)得出了懸掛巨型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值范圍。對(duì)比了不同跨度下各種結(jié)構(gòu)形式的靜力性能和經(jīng)濟(jì)性能,提出了各種結(jié)構(gòu)形式的適用跨度范圍。利用靜態(tài)和瞬態(tài)分析方法,對(duì)比分析了極端情況下單根吊索斷裂后,該類結(jié)構(gòu)的整體受力性能。
【圖文】：

讓建筑物實(shí)現(xiàn)更高高度、更大跨度有了可能。1957 年，為舉辦 1960 年奧運(yùn)會(huì)而興建的羅馬小體育宮（圖 1-1a）是一座鋼筋混凝土建筑，設(shè)計(jì)師奈爾維成功地將薄殼穹頂和“Y”型支撐結(jié)合在一起，跨越了 60m 的距離；日本福岡體育館（圖 1-1b），其可開合屋蓋采用的是雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了美觀和功能的統(tǒng)一。近二十年來，空間鋼結(jié)構(gòu)憑借其輕盈多變的外形，備受建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞。千年穹頂（圖 1-1c）用 12 根近百米高的鋼桅桿，通過拉索將下部的膜結(jié)構(gòu)屋蓋拉起，造型獨(dú)特別致；1996 年奧運(yùn)會(huì)主會(huì)場(chǎng)亞特蘭大體育場(chǎng)（圖 1-1d），采用改良的索穹頂體系，堪稱經(jīng)典；南京奧體中心體育場(chǎng)（圖 1-1e）和新溫布利足球場(chǎng)（圖 1-1f）不約而同地利用鋼拱架將下部屋蓋結(jié)構(gòu)懸吊起來，實(shí)現(xiàn)了建筑 300m 的跨度[1]。a) 羅馬小體育宮 b) 福岡體育館 c) 千年穹頂

能源環(huán)境問題越來越受到人們的重視，，適合人類居住、能夠抵惡劣環(huán)境、低碳環(huán)保綠色的小型城市穹頂進(jìn)入了建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的視野，始走上歷史舞臺(tái)。目前，已經(jīng)有一些國(guó)外學(xué)者從城市穹頂這一概念出發(fā)，提出一些設(shè)計(jì)創(chuàng)意[5]，如圖 1-2 所示。1968 年，美國(guó)工程師 Fuller 提出可以在紐約曼頓街區(qū)上空建造超大跨度短程線型穹頂，跨度達(dá)到 3200m，借此改善當(dāng)?shù)氐臍夂蚪鉀Q當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境問題；1971 年，德國(guó)工程師 Frei Otto 提出可以在北極建設(shè)跨2000m 的充氣穹頂，用以北極科考。此外還有一些著名的城市穹頂設(shè)想，這些想為建設(shè)超大跨空間結(jié)構(gòu)提供了可能，但距離實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走。a) 曼哈頓穹頂 b) 北極充氣穹頂
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TU351

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本文編號(hào)：2601967