论文部分内容阅读
膜结构一直都是空间结构的前沿研究对象,关于膜结构分析的理论研究已经近半个世纪。这类结构在各个方面均取得了相当的研究成果,如膜结构的曲面表达、找形分析、荷载分析、形态优化、动力与稳定分析、裁剪分析、施工模拟等。其中,找形分析一直是膜结构研究的热点之一。是否进行弹性支承构件与膜结构的整体协同找形,即是否考虑膜结构支承点位移对膜面初始形态的影响则是热点中的重点,也是索膜结构设计中的一大难点。
通常为了简化计算,在膜结构的找形阶段会将膜结构支承点视为固定,不考虑下部支承结构与膜结构的相互作用。这种简化计算得到的找形结果与膜结构真实初始平衡形态不符,对后续的荷载分析和裁剪分析也会产生影响。简化计算还会使弹性支承构件的计算内力和真实受力状态产生偏差。我国的《膜结构技术规程》中规定:“对于可能产生较大位移的支承点,在计算中应考虑支座位移的影响,或与支承结构一起进行整体分析”。因此,对索、杆、梁、膜进行整体协同找形分析,对支承结构与膜结构两者之间的相互影响进行深入研究,对分离计算和整体分析中弹性构件的内力情况进行比较分析,是很有必要的。
本文以力密度法和有限单元法为基础,推导了膜线单元力密度矩阵和T单元力密度矩阵,引入矩阵位移法单元刚度矩阵组装规则,引入CSR法稀疏矩阵存储技术,引入Gauss-Seidel迭代法线性方程组求解技术,对传统力密度法形成整体力密度矩阵过程及整体平衡方程的求解进行了非常有效的优化,大大提高了计算效率。根据索单元的一维特性、几何关系、应力应变关系,建立了索单元的非线性平衡方程,采用全Newton-Raphson方法求解方程组,推导了索单元切线刚度矩阵。结合Euler-Bernoulli经典梁理论和虚位移原理,根据膜结构支承点位移协调条件和力的平衡条件,建立了弹性构件支承的张拉膜结构整体协同找形平衡方程,编制了协同找形分析程序,通过大量算例分析,得出了一些规律性的结论。