新型索桿張力穹頂結構形態分析及力學性能研究-陸金鈺

東南大學土木工程學院新型索桿張力穹頂結構形態分析及力學性能研究報告人:陸金鈺2014.11.01第十五屆空間結構學術會議

引言

半規則張拉整體單元環形張拉整體結構

新型索桿全張力自平衡體系

力學性能

結論概述1.引言張拉整體:

“由一組離散的受壓構件與一套連續受拉構件組成的穩定自平衡結構體系。”應用:

目前主要應用于建筑和藝術領域三棱柱拱形塔形雕塑三棱柱四棱柱截頂四面體將張拉整體引入到索穹頂形成一種新型索桿張力結構體系。能否實現？索穹頂:“一種支承于周邊受壓環梁上的張力集成或全張力空間結構體系。”

(Geiger,1986)1.引言混凝土環梁及鋼桁架環梁1.引言規則張拉整體

很難適應不同形狀非規則張拉整體

找形復雜,耗時較多,構件不易設計、制造（羅堯治、許賢,2010）雙層張拉整體(Quirantetal.,2003)柱狀張拉整體(MurakamiandNishimura,2001)(Zhanget.al,2006)球形張拉整體(Quirantetal.,2003)2.半規則張拉整體單元平衡矩陣力平衡方程關聯矩陣

平衡矩陣奇異值分解張拉整體所需滿足的條件：得到非零解,A的最小奇異值為零自應力模態張拉整體的幾何穩定性：

判定乘積力的正定性機構位移模態(CalladineandPellegrino,1991)經典半八面體張拉整體單元正八面體找形過程梯形變換設計公式最小奇異值分布半規則張拉整體單元2.半規則張拉整體單元2.半規則張拉整體單元單元性質平衡矩陣A的維數:

24×16s=1,

m=3自應力模態

Vs=[0.148,0.174,0.118,0.185,0.148,0.341,0.193,0.254,0.161,0.410,0.380,0.182,-0.242,-0.307,-0.232,-0.285]T幾何穩定性√單元拼裝軸測圖俯視圖

×123.環形張拉整體結構局部坐標可行預應力環形張拉整體的初始預應力及協同找形后的初始預應力

前20階自振頻率f(Hz)=[3.7356,3.7357,4.0665,4.0665,7.7179,8.3871,8.3871,10.787,10.787,11.671,11.671,11.896,13.257,14.141,14.141,15.191,15.191,16.825,16.826,19.052]Tn=12,2R=50m,θ=60°參數：截面積：

8.243×10-3m2（桿）;1.924×10-3m2（索）彈性模量：

2.06×105Mpa（桿）;1.95×105Mpa（索）

壓桿屈服強度：

360Mpa拉索極限強度：

1670Mpa3.環形張拉整體結構3.環形張拉整體結構參數化建模n=8,2R,θ=90°n=16,2R,θ=0°3.環形張拉整體結構體系構成環形張拉整體+索穹頂4.新型索桿全張力自平衡體系共用索

Levy型可行預應力初始預應力及協同找形后的初始預應力

參數：截面積：環形張拉整體：8.243×10-3m2（桿）;1.924×10-3m2（索）索穹頂：4.155×10-4m2（桿）;2.886×10-4m2（索）彈性模量：

2.06×105Mpa（桿）;1.95×105Mpa（索）

壓桿屈服強度：

360Mpa拉索極限強度：

1670Mpa4.新型索桿全張力自平衡體系前20階自振頻率f=[3.4872,3.4873,6.4966,6.4966,6.8789,6.8790,9.0420,10.790,12.603,12.603,14.355,14.355,14.817,15.860,15.861,16.190,16.190,16.770,16.770,16.997]T前6階自振模態4.新型索桿全張力自平衡體系實物模型n=12,2R=0.8m,θ=60°4.新型索桿全張力自平衡體系實物模型n=12,2R=2m,θ=60°4.新型索桿全張力自平衡體系參數分析5.力學性能n=122R=50mθ=60°θ=67.5°基準參數β=1.0β=1.3γ=1.0γ=1.1β=1.6γ

=1.2β=0.6β=0.8θ=52.5°γ=0.8γ

=0.9β：環形TS索桿面積系數γ：環形TS預應力水平系數θ：環形TS單元傾角5.力學性能β：環形TS索桿面積系數影響剛度增大5.力學性能γ：環形TS預應力水平系數影響剛度增大5.力學性能θ：環形TS單元傾角影響剛度增大6.結論基于半八面體張拉整體單元的幾何和拓撲關系，提出了一種新型半規則張拉整體單元。給出了環形張拉整體結構的構造方法以及結構整體可行預應力。

以環形張拉整體結構作為周邊環梁，中部引入索穹頂與之無縫對接，構建了新型索桿張力結構體系，并計算了可行預應力。

通過多參數數值分析表明環形張拉整體結構與索穹頂結構能獲得較好的協同工作性能及整體剛度，且環梁具有剛度可調特性。未來更多有關該結構體系的靜動力學性能和施工方法等工作將會開展，使其能滿足實際工程應用。6.結論動畫展示懇請各位專家批評指正謝謝!力學性能參數:預應力（T）60°/0.8T

/1A49.8mm60°/1.0T

/1A49.3mm60°/1.2T

/1A48.7mm剛度索桿張力結構體系剛度60°/1.0T

/0.6A53.1mm力學性能參數:截面積（A）60°/1.0T

/1A49.3mm60°/1.0T

/1.6A44.6mm剛度索桿張力結構體系52.5°/1.0T

/1A60.4mm力學性能60°/1.0T

/1A4