索穹顶结构是空间结构中一种崭新的结构形式,是一种结构效率极高的全张力结构体系,其跨度大、结构形式美观合理。索穹顶结构以其牦材少、施工简单从而具有更好的经济性,所以一经问世便得到了工程界的极大关注。在我国大陆尚未有索穹顶结构应用的工程实例,虽然目前对索穹顶结构已有一定的研究,但是还不够成熟和完善,特别是对不同索穹顶结构体系之间性能的比较更鲜有,因此本文对不同索穹顶结构体系在静力特性、动力特性、参数分析和优化设计等方面进行了分析与比较。 本文在国内外现有成果的基础上,首先回顾了索穹顶结构的发展历史与现状,并总结了索穹顶结构的特点及优点,针对索穹顶结构特点,建立了全张力索穹项结构非线性静力和动力分析的有限元模型。考虑到索穹顶结构施工过程的高度非线性特性,本文介绍了其有限元平衡方程与增量形式平衡方程,并分析了非线性方程组的解法及优缺点,推导了两节点直线杆单元刚度矩阵并总结了索单元的常用处理方法。 计算了索穹顶结构在满跨荷载和半跨荷载这两种荷载工况作用下的静力性能,在每种荷载工况下将荷载分级加载,分别提取了不同体系各级荷载作用下的构件内力值和节点位移值。分析比较了不同体系索穹顶静力荷载作用下的受力特点。 分析了索穹顶结构仅在自重作用的自振特性,及自振频率随预应力水平的变化规律,并观察了前几阶振型图,从而进一步分析了结构的刚度分布。研究了索穹顶结构在地震波作用下节点位移、速度和加速度的变化情况,并比较了不同索穹顶结构体系中三者的最大值及其发生的位置。 为了深入理解索穹顶结构的性态,在静力特性分析的基础上,对索穹顶的预应力水平及其分布、构件截面面积以及矢跨比等参数进行了分析,详细阐述了各种参数不同时对结构性能的影响,得到了一些有益的结论。 在优化设计部分,分别以质量、刚度和预应力水平为目标,并采用不同系数将三者组合成单一目标,把应变、截面面积和矢跨比作为优化变量,对索穹顶结构进行了优化分析,并对不同优化目标下的结果进行了比较。 通过对索穹顶结构分析理论、静动力特性、参数及优化设计的研究,得到了具有实用意义的研究成果,为设计和推广应用索穹顶结构打下了基础。希望本文能够为索穹顶结构在我国的实现和推广起到一定的作用。