氣撐式張弦結(jié)構(gòu)(Tensairity)是由一種低內(nèi)壓充氣囊、下弦柔性索、上弦剛性桿件所組成的輕型混合結(jié)構(gòu)體系。氣撐式張弦結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造簡單、受力明確、充分利用充氣內(nèi)氣壓對結(jié)構(gòu)施加預(yù)張力,并且為上弦剛性構(gòu)件提供連續(xù)的平面內(nèi)支撐,從而降低了上弦構(gòu)件的平面內(nèi)計(jì)算長度,提高了上弦構(gòu)件的穩(wěn)定承載力,同時(shí)避免了撐桿的穩(wěn)定問題,發(fā)揮了剛性、柔性以及空氣等材料的優(yōu)勢,是一種自支撐、自平衡的結(jié)構(gòu)體系,并且制造、運(yùn)輸、施工簡捷方便,具有良好的應(yīng)用前景。 本文將應(yīng)用大型有限元軟件ANSYS構(gòu)建了紡錘形氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元模型,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)從零態(tài)到初始態(tài)再到荷載態(tài)的全過程仿真模擬。重點(diǎn)研究了5m跨度的紡錘形氣撐式張弦結(jié)構(gòu)在跨中集中力、全跨均布力、半跨均布力作用下的結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分布情況等基本靜力性能,獲得了結(jié)構(gòu)各組成構(gòu)件的最不利控制截面以及結(jié)構(gòu)的極限承載能力和極限狀態(tài)。同時(shí)分別對15m、25m、35m和50m跨度的紡錘形氣撐式張弦結(jié)構(gòu)展開了大規(guī)模的系統(tǒng)化參數(shù)分析。通過對結(jié)構(gòu)跨徑比、充氣內(nèi)壓、下弦索截面和上弦截面等結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究,總結(jié)了結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響規(guī)律。主要包括結(jié)構(gòu)最大變形、上弦構(gòu)件最大軸力、上弦構(gòu)件最大彎矩、上弦構(gòu)件的最大應(yīng)力和下弦最大應(yīng)力等方面的具體研究。給出了對于不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理的建議取值范圍,希望為今后更多的工程設(shè)計(jì)和實(shí)踐提供有價(jià)值的參考。 為掌握氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、加工工藝,并為數(shù)值分析提供對比依據(jù),針對2.5m跨度的紡錘形氣撐式張弦結(jié)構(gòu)開展了模型試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在試驗(yàn)之前,對模型相似比,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、相關(guān)測量方案和總體試驗(yàn)方案等問題均進(jìn)行了詳細(xì)探討。通過對試驗(yàn)結(jié)果的分析,并和數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析對比,發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值結(jié)果基本上能吻合,表明本模型設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造是合理有效的,數(shù)值計(jì)算方法是正確可行的。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2009
【中圖分類】：TH21
【部分圖文】：

第 1 章 緒論第 1 章 緒論1.1 概述1.1.1 氣撐式張弦結(jié)構(gòu)概念氣撐式張弦結(jié)構(gòu)體系是由瑞士 Airlight.Ldt 公司總工程師 Mauro Pedretti 博士在 2002 年提出的一種新型的結(jié)構(gòu)體系，其英文名為 Tensairity，Tensairity 一詞由 tension（張力）、air（空氣）和 integrity（整體）三個(gè)詞合并縮寫而成。

氣撐式張弦結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是充氣氣囊結(jié)構(gòu)與張弦梁結(jié)構(gòu)的組合，因此它綜合了上述兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：1．與張弦梁相比而言，由于用充氣囊替換了支撐桿件，使得上弦剛性桿件的穩(wěn)定性能大大提高，從而大大提高了材料的利用率，并且避免了撐桿穩(wěn)定性問題。同時(shí)可以大大降低結(jié)構(gòu)自重，從而跨越更大的跨度。由于在充氣中即對下弦索施加預(yù)拉力，大大方便了施工[2-3]。2．與傳統(tǒng)的充氣氣囊結(jié)構(gòu)比較，在充氣氣囊上添加了剛性上弦和柔性下弦，使得充氣囊在內(nèi)部氣壓較小的情況下，其承載力可以達(dá)到張弦梁相同的承載力。根據(jù)計(jì)算，在相同的長細(xì)比和相同承載力下，氣撐式張弦結(jié)構(gòu)中充氣氣囊的內(nèi)氣壓是傳統(tǒng)充氣梁內(nèi)氣壓的 1/10~1/100，這在一定程度上降低了充氣氣囊對建筑膜材性能的要求，這也將降低結(jié)構(gòu)的造價(jià)，并且使結(jié)構(gòu)具有更好的氣密性從而提高結(jié)構(gòu)的安全性[4]。3．在結(jié)構(gòu)受力上，氣撐式張弦結(jié)構(gòu)是一種自支撐，自平衡的結(jié)構(gòu)體系，對邊界約束的要求很低。上弦構(gòu)件產(chǎn)生的水平推力由下弦柔性構(gòu)件承擔(dān)，使得邊界約束主要以受豎向支反力為主，使得支座受力明確，易于設(shè)計(jì)與制作[6-7]。

1.1.3 氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的安全性由于氣撐式張弦結(jié)構(gòu)使用了充氣氣囊，氣囊的密閉性對結(jié)構(gòu)安全性影響很大。查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，本文認(rèn)為對于氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的充氣氣囊的密閉性可以從以下兩個(gè)方面來保證。1．使用持續(xù)的充氣裝置，現(xiàn)有的充氣結(jié)構(gòu)如水立方[8]等中都使用了持續(xù)的充氣裝置——通過氣壓傳感裝置來控制氣泵，來實(shí)現(xiàn)充氣氣泡的內(nèi)氣壓始終維持在設(shè)計(jì)氣壓范圍內(nèi)。氣撐式張弦結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的充氣氣囊，其氣囊的內(nèi)氣壓相對較低，因此氣囊的漏氣量將會(huì)很小，并且即使氣囊受到外來的破壞，也只需要較小功率的氣泵就可以維持住氣囊內(nèi)氣壓。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中介紹的試驗(yàn)，當(dāng)氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的充氣氣囊的內(nèi)氣壓為 0.01MPa 時(shí)，氣囊上的 1 個(gè) 6mm 直徑小孔的漏氣量只需要 1W 功率的氣泵就可以維持，即 1 個(gè) 1kw 功率的氣泵足以保證氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的氣囊上經(jīng)受 500 槍 6mm 口徑步槍的射擊下內(nèi)氣壓恒定。由此可見，維持氣撐式張弦結(jié)構(gòu)的氣囊的內(nèi)氣壓，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的安全性是可行的，并且所需要的日常維護(hù)費(fèi)用也很低[3]。b
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本文編號(hào)：2860953