新型索杆张力穹顶结构形态分析及力学性能研究-陆金钰

1、东南大学土木工程学院东南大学土木工程学院新型索杆张力穹顶结构新型索杆张力穹顶结构形态分析形态分析及及力学性能研究力学性能研究报告人: 陆金钰2014.11.01第十五届空间结构学术会议第十五届空间结构学术会议 第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 引言引言 半规则张拉整体单元半规则张拉整体单元 环形张拉整体结构环形张拉整体结构 新型索杆全张力自平衡体系新型索杆全张力自平衡体系 力学性能力学性能 结论结论概述概述第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 1. 引言引言张拉整体张拉整体: “由一组离散的受压构件与一套连续受拉构件组成的稳由一组离散的受压构件与一套连续受拉构件组成

2、的稳定自平衡结构体系定自平衡结构体系。”应用应用: 目前主要应用于建筑和艺术领域目前主要应用于建筑和艺术领域三棱柱三棱柱拱形拱形塔形塔形雕塑雕塑三棱柱三棱柱四棱柱四棱柱截顶四面体截顶四面体第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 将张拉整体引入到索穹顶形成一种新型索杆张力结构体系。将张拉整体引入到索穹顶形成一种新型索杆张力结构体系。能否实现？能否实现？索穹顶索穹顶:“一种支承于周边受压环梁上的张力集成或全张力空间结构体一种支承于周边受压环梁上的张力集成或全张力空间结构体系系。” (Geiger, 1986)1.引言引言混凝土环梁及钢桁架环梁混凝土环梁及钢桁架环梁第十五届空间第十五届空间

3、结构学术会议结构学术会议 1.引言引言规则张拉整体规则张拉整体 很难适应不同形状很难适应不同形状非规则张拉整体非规则张拉整体 找形复杂找形复杂, 耗时较多耗时较多, 构件不易设计、制造构件不易设计、制造（罗尧治、许贤（罗尧治、许贤, 2010） 双层张拉整体双层张拉整体(Quirant et al., 2003) 柱状张拉整体柱状张拉整体(Murakami and Nishimura, 2001) (Zhang et.al, 2006) 球形张拉整体球形张拉整体(Quirant et al., 2003) 第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 2.半规则张拉整体单元半规则张拉整体单

4、元平衡矩阵平衡矩阵zyxzyxPPPAAAPA 力平衡方程力平衡方程 )(xAdiagTx=关联矩阵关联矩阵 TUSV=A平衡矩阵奇异值分解平衡矩阵奇异值分解0AVS张拉整体所需满足的条件：张拉整体所需满足的条件： 得到非零解得到非零解, A的最小奇异值为零的最小奇异值为零自应力模态自应力模态张拉整体的几何稳定性：张拉整体的几何稳定性： 判定乘积力判定乘积力 的正定性的正定性SVmU机构位移模态机构位移模态(Calladine and Pellegrino, 1991)mUGT第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 经典半八面体张拉整体经典半八面体张拉整体单元单元正八面体正八面体找形

5、过程找形过程梯形变换梯形变换 设计公式设计公式12000EAAxxz200002001122EAEAEAxxxx-x-y最小奇异值分布最小奇异值分布半规则张拉半规则张拉整体单元整体单元2.半规则张拉整体单元半规则张拉整体单元第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 2.半规则张拉整体单元半规则张拉整体单元单元性质单元性质平衡矩阵平衡矩阵A的维数的维数: 2416s=1, m=3自应力模态自应力模态 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,

6、-0.307, -0.232, -0.285T几何稳定性几何稳定性presstV 0TTUGm第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 单元拼装单元拼装轴测图轴测图俯视图俯视图 12cosntanxE210cosysinzntancosntanxAAA0001nsinRzzyyxxxxAAAAAAEE00003. 环形张拉整体结构环形张拉整体结构局部坐标局部坐标第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 可行预应力可行预应力环形张拉整体的初始预应力及协同找形后的初始预应力环形张拉整体的初始预应力及协同找形后的初始预应力 前前20阶自振频率阶自振频率f (Hz) = 3.7356,

7、 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, 19.052T n=12, 2R=50m,=60 参数：参数：截面积：截面积： 8.24310-3m2 （杆）（杆）; 1.92410-3m2 （索）（索）弹性模量：弹性模量： 2.06105Mpa （杆）（杆）; 1.95105Mpa （索）（索） 压杆屈服强度：压杆屈服强度： 360Mpa拉索极限强度：拉

8、索极限强度： 1670Mpa3. 环形张拉整体结构环形张拉整体结构第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 3. 环形张拉整体结构环形张拉整体结构第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 参数化建模参数化建模n=8, 2R,=90 n=16, 2R,=0 3. 环形张拉整体结构环形张拉整体结构第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 体系构成体系构成环形张拉整体环形张拉整体 + 索穹顶索穹顶4. 新型索杆全张力自平衡体系新型索杆全张力自平衡体系共用索共用索 Levy型型第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 可行预应力可行预应力初始预应力及协同找形后的初始预应

9、力初始预应力及协同找形后的初始预应力 参数：参数：截面积：截面积： 环形张拉整体：环形张拉整体：8.24310-3m2（杆）（杆）; 1.92410-3m2（索）（索） 索穹顶：索穹顶：4.15510-4m2（杆）（杆）; 2.88610-4m2（索）（索）弹性模量：弹性模量： 2.06105Mpa （杆）（杆）; 1.95105Mpa （索）（索） 压杆屈服强度：压杆屈服强度： 360Mpa拉索极限强度：拉索极限强度： 1670Mpa4. 新型索杆全张力自平衡体系新型索杆全张力自平衡体系第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 前前20阶自振频率阶自振频率f = 3.4872, 3.

10、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, 16.997T 前前6阶自振模态阶自振模态 4. 新型索杆全张力自平衡体系新型索杆全张力自平衡体系第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 实物模型实物模型n=12, 2R=0.8m,=60 4. 新型索杆全张力自平衡体系新型索杆全张力自平衡体系第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 实物模型实物

11、模型n=12, 2R=2m,=60 4. 新型索杆全张力自平衡体系新型索杆全张力自平衡体系第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 参数分析参数分析5. 力学性能力学性能n=12 2R=50m=60=67.5基准参数基准参数=1.0=1.3 =1.0 =1.1=1.6 =1.2=0.6=0.8=52.5 =0.8 =0.9：环形：环形TS索杆面积索杆面积系数系数：环形：环形TS预应力水平预应力水平系数系数 ：环形：环形TS单元倾角单元倾角 第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 5. 力学性能力学性能：环形：环形TS索杆面积索杆面积系数影响系数影响刚刚度度增增大大第十五届空间

12、第十五届空间结构学术会议结构学术会议 5. 力学性能力学性能：环形：环形TS预应力水平预应力水平系数影响系数影响 刚刚度度增增大大第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 5. 力学性能力学性能：环形：环形TS单元倾角单元倾角影响影响 刚刚度度增增大大第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 6. 结论结论基于半八面体张拉整体单元的几何和拓扑关系，提出了一种新型基于半八面体张拉整体单元的几何和拓扑关系，提出了一种新型半规则张拉整体单元。半规则张拉整体单元。给出了环形张拉整体结构的给出了环形张拉整体结构的构造方法构造方法以及以及结构整体可行预应力。结构整体可行预应力。 以以环形张

13、拉整体结构环形张拉整体结构作为作为周边环梁周边环梁，中部中部引入引入索穹顶索穹顶与之无缝对与之无缝对接，构建了接，构建了新型索杆张力结构体系新型索杆张力结构体系，并计算了可行预应力。，并计算了可行预应力。 通过通过多参数数值分析多参数数值分析表明环形张拉整体结构与索穹顶结构能获得表明环形张拉整体结构与索穹顶结构能获得较好的协同工作性能较好的协同工作性能及及整体刚度整体刚度，且环梁具有，且环梁具有刚度可调特性刚度可调特性。未来更多有关该结构体系的静动力学性能和施工方法等工作将会未来更多有关该结构体系的静动力学性能和施工方法等工作将会开展，使其能满足实际工程应用。开展，使其能满足实际工程应用。第十五届空间第十五届空间结构学术会议结构学术会议 6. 结论结论动画展示动画展示恳请各位专家批评指正恳请各位专家批评指正谢谢谢谢! !力学性能力学性能参数参数: 预应力（预应力（T）60/ 0.8T / 1A49.8mm60/ 1.0T / 1A49.3mm60/ 1.2T / 1A48.7mm刚度刚度索杆张力结构体系索杆张力结构体系刚度刚度60/ 1.0T / 0.6A53.1mm力学性能力学性能参数参数: 截面积（截面积（A）60/ 1.0T / 1A49.3mm60/ 1.0T / 1.6A44.6m