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弦支穹顶结构是基于张拉整体结构体系和单层球面网壳结构的一种预应力复合空间结构,它巧妙应用了两种不同结构形式的优势,使得弦支穹顶结构性能比单层网壳有很大改善,而且施工难度相对较小,可以更合理、更经济、更美观地实现更大跨度的空间结构。本文对弦支穹顶结构的预应力优化与多点地震动激励下的动力性能进行了研究。主要内容包括:
⑴通过查阅大量国内外相关文献,介绍了弦支穹顶结构的特点、工程应用和国内外研究现状,并明确了本文的主要研究内容。
⑵利用非线性有限元方法,建立了平衡方程并提出了求解方法,对索单元也建立了相应的计算模型,验证其合理性。建立弦支穹顶结构预应力优化数学模型,运用NSGA-Ⅱ优化算法,以各圈环索预应力大小为变量,结构水平径向支座反力最小、上部单层网壳杆件轴向应力峰值最小为目标函数,以结构强度和挠度为约束条件,对弦支穹顶结构的预应力值进行多目标优化。提出了随各圈环索预应力的不同组合变化,目标函数的变化规律。
⑶对40m和80m跨度的弦支穹顶结构进行了静力性能参数分析。通过分析不同矢跨比、撑杆高度、环索布置方式、温度以及预应力大小等因素对支座反力、内力等静力性能的影响,提出不同结构参数的建议取值范围,为更多的工程设计提供参考。
⑷利用结构动力学理论对弦支穹顶结构进行了自振特性的分析,了解弦支穹顶结构各阶频率及其相应振型的分布情况,掌握了弦支穹顶结构的基本自振特性。进而对弦支穹顶结构的动力性能进行了参数分析,对不同矢跨比、撑杆高度、布索层数、预应力大小和边界约束条件的弦支穹顶结构进行对比研究,得出了不同参数条件下弦支穹顶结构的动力性能变化规律。
⑸选用El-Centro波、Taft波和天津波,对弦支穹顶结构进行了地震响应分析,并利用APDL语言编制地震波一致输入程序和考虑行波效应的多点输入程序,对40m、80m和120m跨度的弦支穹顶结构进行了一致输入和多点输入下的地震响应分析。通过改变结构跨度,分析多点输入对不同跨度的结构的影响;通过改变地震波视波速,分析地震波视波速变化对3种跨度弦支穹顶结构的影响。
⑹针对弦支穹顶结构施工方案和施工方法进行了简要分析,初步提出了较为合理的施工流程,希望可以为以后弦支穹顶结构工程施工提供参考。
⑺对计算结果进行了研究总结,并对弦支穹顶结构的广阔应用前景进行了展望。