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弦支穹顶结构是一种新型的刚柔并济的空间结构体系。与单层网壳相比其具有结构刚度大、稳定性高、重量轻等特点,与双层网壳相比,其具有结构形式新颖,造型美观,节约空间等特点。上述优点使弦支穹顶结构在国内外工程实践中得到了广泛应用,2008奥运羽毛球馆屋盖采用的就是该种结构,它也是世界上第一个大跨度弦支穹顶结构。稳定性是弦支穹顶结构是否安全,是否可靠的重要衡量指标。对于这种结构,研究其各影响因素下的整体稳定性是必要环节。温度作用是大型预应力钢结构施工及使用过程中的重要影响因素。温度改变作为一种独立影响预应力的因素,将在结构中引起很大的内力和变形,这样引起的结构效应对结构的稳定性会产生显著影响。从温度变化这个角度来考虑弦支穹顶结构的稳定性目前还没有研究。因此本论文的研究主要是针对目前弦支穹顶结构体系稳定性研究的不足之处进行的。这些研究工作能更准确模拟弦支穹顶结构在常温变化及火灾高温变化下的受力性能,对设计、建造实际工程具有重要的现实意义。
本文以2008奥运羽毛球馆弦支穹顶结构为研究对象,分析了弦支穹顶结构的特点和研究现状,对国内外研究成果进行了总结,提出了弦支穹顶结构研究中亟待解决的问题,同时介绍了弦支穹顶结构在分析过程中采用的非线性有限元理论和求解方法。利用有限元软件分别就常温变化和火灾的高温变化两种情况下弦支穹顶结构的稳定性进行研究分析,通过对模拟结果进行研究分析得出以下结论:
常温变化对弦支穹顶结构的稳定性影响不显著,结构在常温下很稳定。随着温度升高,稳定系数增大。这一结论表明弦支穹顶结构张拉施工适合在夏季完成,并且对实际工程有一定的参考价值。
弦支穹顶结构在火灾下的整体变形特点为向上起拱,失稳模态为上部单层网壳局部失稳。奥运羽毛球馆在90分钟的火灾下整体稳定性能下降了18%,但仍在结构的安全储备范围内。由此可见,该结构具有足够的安全储备。材料的高温蠕变使弦支穹顶结构受力增大,稳定性能降低,但它的影响较小。因此,在对此弦支穹顶结构进行火灾下的性能分析时,可以不考虑材料高温蠕变的影响。上述结论对其他预应力钢结构火灾下的影响分析有重要参考价值。
综上所述,本文针对大跨度弦支穹顶结构,从常温变化和火灾高温变化两个角度出发,系统地研究了温度变化对弦支穹顶结构特征值屈曲、非线性屈曲、非线性极限承载力等的影响,取得了相应成果。最后,本文对弦支穹顶结构有待进一步深化研究的问题进行了展望。