弦支柱面网壳的理论分析与试验研究
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摘要
弦支网壳是由Fuller的“张拉整体”思想发展而来的,一种典型的由索、杆、梁单元组成的空间结构体系。该体系可充分发挥预应力技术的优势来提高单层网壳的刚度和承载能力。近年来弦支网壳已有较多的研究和工程应用,如用于体育建筑、会展建筑等,但其建筑平面多为与穹顶球面(椭球面)网壳相应的圆形平面(椭圆形平面),比较单一,影响了推广应用范围。本文提出一种由上部单层柱面网壳和下部弦支体系组合而成的弦支柱面网壳,对这种新型空间结构进行了系统的研究。
第1章总结了大跨度空间结构的分类,系统地分析了弦支网壳结构的发展历史、工程应用和研究现状,并确定了本文的研究内容。
第2章对弦支柱面网壳的形式进行了分类,提出了四种类型的单体弦支柱面网壳,并根据支承条件提出了四种组合方式,这些形式可以应用于不同建筑造型的大跨度空间结构。
第3章总结了弦支网壳的形态分析问题,包括形态分析问题的分类、求解思路和下部索杆的预应力设计。
第4章以三环弦支单向斜杆正交正放网格型柱面网壳结构为例,分析了该结构在均布荷载作用下的静动力性能,研究了结构在预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比和平面尺寸等参数下的力学性能。
第5章分析了三环弦支的两种类型的柱面网壳的特征值屈曲,研究了结构在预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比和平面尺寸等参数下的特征值屈曲特性。以三环弦支单向斜杆正交正放网格型柱面网壳结构为例,分析了均布荷载作用下,该结构在,预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比、平面尺寸和初始缺陷等参数下的非线性屈曲性能。研究了不同弦支环数对弦支柱面网壳稳定性能的影响,并比较了两种大跨度空间结构的经济性能。
第6章以深圳北站无柱站台雨棚为背景,设计了3×3网格的1/8缩尺模型,对其进行了下部索杆预应力张拉试验、静力加载试验和局部断索(杆)试验,并对试验实测数据与理论分析结果进行了比较和分析。
第7章对本文研究的内容进行了总结,指出了该种新型结构仍需要解决的一些问题,明确了今后的研究方向。
Suspen-dome, which is a development of the 'tensegrity' proposed by Fuller, is atypical spatial structure composed of cable elements, link elements, and beamelements. This structure system can give full play to the advantages of pre-stressedtechnology to improve the stiffness and load carrying capacity of single-layer shell.Recently, there are more research and engineering applications of suspen-dome, suchas sports building, exhibition building, etc. However, the construction planes aremostly circular or oval ones corresponding to the spherical or ellipsoid domes. Thatinterrupts the promotion application of the suspend-dome because of the unitary form.This paper presents a new form -- suspended cylindrical lattice shell, which is acombination of an upper single-layer cylindrical shell and a lower chord suspendedsystem. The new structure is studied systematically from two aspects, both in theoryand experiment.
Chapter one briefly summarizes the classifications of long-span aptial structures. Also,it is analyzes the development history, project applications and research status ofsuspen-dome and the research contents of this paper are determined.
Chapter two gives the classifications of the new structure. It proposes four types ofsingle unit forms according to the grid type of single-layer cylindrical shells and fourtypes of composed unit according to combination forms of single ones. These formscan be applied to different building forms of long-span spatial structure.
Chapter three mainly summarizes the morphological Analysis of suspen-dome,including force finding problem, form finding problem and force finding and formfinding problem.
Chapter four takes three-loop suspended orthogonal grid with one bracing cylindricallattice shell as an example to analyzes the static and dynamic performances.Parametric analysis is also done , including pre-stress level, shell bar cross-section,rise-span ratio and plane size.
Chapter five does eigen buckling analysis on two single forms of three-loop suspened cylindrical lattices. With the parametric analysis, the eigen buckling properties areacknowledged. This chapter is also takes parametric analysis on the nonlinearbuckling on the three-loop suspended orthogonal grid with one bracing cylindricallattice shell. This paper also studies the effects of different number of pairs of stringsstring pillars on the shell stability and compares the economic performance of twokinds of large-span spatial structures.
Chapter six designs a 1/8 scaled model of 3×3 grids of Shenzhen north stationcanopy. The test includes simulation of tension process, static loading and local cablebroken. The test results is compared with theory ones.
Chapter seven summarizes all the research in this paper and listes some problems tobe solved in the future.
第1章总结了大跨度空间结构的分类,系统地分析了弦支网壳结构的发展历史、工程应用和研究现状,并确定了本文的研究内容。
第2章对弦支柱面网壳的形式进行了分类,提出了四种类型的单体弦支柱面网壳,并根据支承条件提出了四种组合方式,这些形式可以应用于不同建筑造型的大跨度空间结构。
第3章总结了弦支网壳的形态分析问题,包括形态分析问题的分类、求解思路和下部索杆的预应力设计。
第4章以三环弦支单向斜杆正交正放网格型柱面网壳结构为例,分析了该结构在均布荷载作用下的静动力性能,研究了结构在预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比和平面尺寸等参数下的力学性能。
第5章分析了三环弦支的两种类型的柱面网壳的特征值屈曲,研究了结构在预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比和平面尺寸等参数下的特征值屈曲特性。以三环弦支单向斜杆正交正放网格型柱面网壳结构为例,分析了均布荷载作用下,该结构在,预应力水平、网壳杆件截面、矢跨比、平面尺寸和初始缺陷等参数下的非线性屈曲性能。研究了不同弦支环数对弦支柱面网壳稳定性能的影响,并比较了两种大跨度空间结构的经济性能。
第6章以深圳北站无柱站台雨棚为背景,设计了3×3网格的1/8缩尺模型,对其进行了下部索杆预应力张拉试验、静力加载试验和局部断索(杆)试验,并对试验实测数据与理论分析结果进行了比较和分析。
第7章对本文研究的内容进行了总结,指出了该种新型结构仍需要解决的一些问题,明确了今后的研究方向。
Suspen-dome, which is a development of the 'tensegrity' proposed by Fuller, is atypical spatial structure composed of cable elements, link elements, and beamelements. This structure system can give full play to the advantages of pre-stressedtechnology to improve the stiffness and load carrying capacity of single-layer shell.Recently, there are more research and engineering applications of suspen-dome, suchas sports building, exhibition building, etc. However, the construction planes aremostly circular or oval ones corresponding to the spherical or ellipsoid domes. Thatinterrupts the promotion application of the suspend-dome because of the unitary form.This paper presents a new form -- suspended cylindrical lattice shell, which is acombination of an upper single-layer cylindrical shell and a lower chord suspendedsystem. The new structure is studied systematically from two aspects, both in theoryand experiment.
Chapter one briefly summarizes the classifications of long-span aptial structures. Also,it is analyzes the development history, project applications and research status ofsuspen-dome and the research contents of this paper are determined.
Chapter two gives the classifications of the new structure. It proposes four types ofsingle unit forms according to the grid type of single-layer cylindrical shells and fourtypes of composed unit according to combination forms of single ones. These formscan be applied to different building forms of long-span spatial structure.
Chapter three mainly summarizes the morphological Analysis of suspen-dome,including force finding problem, form finding problem and force finding and formfinding problem.
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Chapter five does eigen buckling analysis on two single forms of three-loop suspened cylindrical lattices. With the parametric analysis, the eigen buckling properties areacknowledged. This chapter is also takes parametric analysis on the nonlinearbuckling on the three-loop suspended orthogonal grid with one bracing cylindricallattice shell. This paper also studies the effects of different number of pairs of stringsstring pillars on the shell stability and compares the economic performance of twokinds of large-span spatial structures.
Chapter six designs a 1/8 scaled model of 3×3 grids of Shenzhen north stationcanopy. The test includes simulation of tension process, static loading and local cablebroken. The test results is compared with theory ones.
Chapter seven summarizes all the research in this paper and listes some problems tobe solved in the future.
引文
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