索膜结构作为一种新型的建筑结构,具有受力合理、效率高、造型新颖及其良好的经济性等优点,显示出了巨大的生命力和广阔的应用前景。本文主要研究了索膜结构的找形分析、荷载分析的理论和方法,并以ANSYS的参数化设计语言为工具对索膜结构进行了参数研究。 首先,文章回顾了索膜结构在国内外的应用情况和研究现状,并给出了索膜结构体系比较明确的定义、分类,阐述了索膜结构分析的基本假定、非线性有限元方法、非线性方程组的解法及收敛性等。 在建好索膜结构的分析模型和选好单元类型后,将网格划分、索的预拉力值、时间步长及收敛容差作为优化的设计变量,膜材的面积最省或重量最轻为优化的目标函数,膜面最大最小应力、膜内节点的位移作为状态变量进行了形态优化分析,所得找形结果与专业软件非常接近,且计算误差在工程允许的范围内。本文通过算例考察了自重、索膜间不同预应力比值对找形分析结果的影响。可知,曲面曲率和单位投影面积内自重变化较大的索膜结构,其自重对找形的影响较大。当保持索中的预拉力不变,增加膜的预张力时,所得结构的曲率增大。当保持两者比值不变时,仅改变其数值的大小不会影响结构的形状。 文章介绍了风、雪载的确定方法,以找形优化后的模型为荷载分析的初始态,考察了积雪分布系数、弹性模量及泊松比变化对索膜结构荷载分析的影响,得到结论:膜面曲率越大,积雪分布系数影响程度越大;随着弹性模量或泊松比的增大,则最大主应力和最小主应力相应增大,而最大竖向位移则减小。 文章还通过一算例简单分析了索膜结构的整体协同工作分析与非协同工作分析的差异。当考虑整体模型时,由于下部钢结构变形会造成索膜结构张力刚度下降:两种计算模型的力学响应变化规律相似,但整体模型的应力比分离模型的应力有所下降,并且膜面有较大的区域发生较大的位移。 最后,在总结了本文所做工作的基础上,提出了需进一步研究与探索的内容。