空間索膜結(jié)構(gòu)的力密度法靜力分析研究.pdf

1、張拉膜結(jié)構(gòu)是近幾十年逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新型的張拉整體結(jié)構(gòu)，在我國(guó)正得到日益廣泛的應(yīng)用。張拉膜結(jié)構(gòu)的形狀與內(nèi)力是相互耦合的，所以靜力分析包括找形與荷載分析，是研究此類結(jié)構(gòu)的基本問(wèn)題，其目的是求解結(jié)構(gòu)平衡時(shí)的幾何形狀及其對(duì)應(yīng)的內(nèi)力。而在靜力分析中，膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)的相互作用問(wèn)題也是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與關(guān)鍵之一，它關(guān)系到計(jì)算的結(jié)果是否準(zhǔn)確合理、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否可以滿足建筑的安全性要求等。我國(guó)的《膜結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》已建議“對(duì)于可能產(chǎn)生較大位移的

2、支承點(diǎn)，在計(jì)算中應(yīng)考慮支座位移的影響，與支承結(jié)構(gòu)一起進(jìn)行整體分析”，因此很有必要對(duì)膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)在找形與荷載分析過(guò)程的相互作用問(wèn)題進(jìn)行深入的分析和研究。　　本文以力密度法為基礎(chǔ)，采用應(yīng)力等效與剛度等效方法，將膜結(jié)構(gòu)離散成經(jīng)緯向的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，針對(duì)按傳統(tǒng)力密度法找形公式編程時(shí)求解速度慢的缺點(diǎn)，首次提出了“單元力密度矩陣”與“整體力密度矩陣”的概念，對(duì)力密度法的編程進(jìn)行了改進(jìn)，大大提高了運(yùn)算速度。通過(guò)編制的力密度法找形程序，研究

3、了膜結(jié)構(gòu)經(jīng)緯向應(yīng)力比、索膜應(yīng)力比與初始平衡形狀、支座反力之間的關(guān)系；對(duì)于體形復(fù)雜的組合膜結(jié)構(gòu)，本文采用“T單元”的概念解決這種組合膜結(jié)構(gòu)柔性邊界的“鋸齒”問(wèn)題。而且，還推導(dǎo)了“T單元”的單元力密度矩陣。通過(guò)算例，證明了該法的可行性與程序的正確性。 為了在找形計(jì)算中考慮支承結(jié)構(gòu)與膜結(jié)構(gòu)的相互作用，也就是考慮膜結(jié)構(gòu)與支承結(jié)構(gòu)在支承節(jié)點(diǎn)處的位移協(xié)調(diào)的問(wèn)題，本文推導(dǎo)了基于力密度法的膜結(jié)構(gòu)與彈性索桿支承結(jié)構(gòu)的整體找形的基本方程，編制了整體

4、找形分析程序。通過(guò)具體算例，對(duì)支承結(jié)構(gòu)分別為拉壓桿組合形式、拉索形式以及飛桿形式的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體找形分析，并與沒(méi)有采用整體分析的找形結(jié)果進(jìn)行了比較，得出一些規(guī)律性的結(jié)論；推導(dǎo)了基于力密度法的膜結(jié)構(gòu)與彈性梁柱支承結(jié)構(gòu)的整體找形的基本方程，其中梁?jiǎn)卧膊捎昧擞邢拮冃卫碚?，考慮了梁?jiǎn)卧膸缀畏蔷€性效應(yīng)。給出了非線性方程組的迭代求解公式，編制了膜結(jié)構(gòu)與支承梁柱結(jié)構(gòu)的整體找形分析程序。通過(guò)算例分析，考察了整體分析與非整體分析對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；推導(dǎo)了

5、基于力密度法的膜結(jié)構(gòu)與彈性梁、桿等混合支承結(jié)構(gòu)的整體找形基本方程，其中梁?jiǎn)卧膊捎昧擞邢拮冃卫碚摚紤]了梁?jiǎn)卧膸缀畏蔷€性效應(yīng)。給出了非線性方程組的迭代求解公式，編制了整體找形分析程序，對(duì)算例的結(jié)果進(jìn)行了分析。 建立了將膜的彈性模量等效為索元彈性模量的剛度等效公式，并將膜結(jié)構(gòu)面荷載轉(zhuǎn)換成膜的等效節(jié)點(diǎn)荷載，從而采用索網(wǎng)模型對(duì)張拉膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；提出了荷載分析中褶皺的處理及計(jì)算方法，根據(jù)空間索元幾何非線性有限元的U.L.列式法，編制