基于环形张拉整体的索杆全张力穹顶结构形态分析

运用平衡矩阵奇异值分解技术,通过变换经典半八面体张拉整体单元的几何构型,对半规则张拉整体单元进行了自平衡构型的找形分析,给出了几何变换后的设计公式,并通过单元自应力模态和机构位移模态验证了单元的几何稳定性。对此单元进行环向拼装,得到了环形张拉整体结构并给出结构整体可行预应力。提出了环形张拉整体中部引入葵花形索穹顶的构造方法,构建了全张力自平衡的新型索杆穹顶结构,并对其进行了静力分析,表明该结构具有较好的刚度。最后通过实物模型进一步验证了该结构体系的可行性。该研究对张拉整体在实际工程中的应用具有一定促进作用。     

索杆张力结构初始预应力分布计算方法研究

索杆张力结构是具有预应力自平衡的结构体系,具有静不定、动不定特征。初始预应力分布的计算是张力结构受力分析的基础。该文从力密度法表示的基本平衡方程出发,采用线性调整理论,利用最小二乘解,推导出张力结构找形分析列式,建立了结构的初始预应力分布计算方法。用MATLAB语言编制了程序并进行数值分析,算例结果表明该文分析方法正确、有效。     

平衡矩阵理论的探讨及一索杆梁杂交空间结构的静力和稳定性分析

首先对索杆杂交结构采用平衡矩阵理论进行了探讨。对于索杆杂交结构而言,可以根据平衡矩阵确定体系在初状态几何下的整体预应力分布和大小,但是必须考虑变形相容条件和本构关系即各个单元的柔度分布。只有满足体系柔度分布的杆件截面尺寸的结构才能最终施工张成给定的预应力分布和设计几何。由相容方程和平衡方程提出了包含局部超静定结构的索杆杂交结构的柔度分布确定方法和独立柔度分布模态这一概念。算例分析结果验证了方法的正确性。其次,对一索杆梁杂交空间结构的计算分析方法及其初步的静力及其稳定性进行了研究。基于局部分析法对索杆梁体系的预应力分布和大小进行了优化分析。在优化目标下,最优的预应力分布是外环预应力较大,中环、内环预应力要小很多。并以预应力作为整体自平衡的初始内力情况下对其进行了初步静力和稳定性分析。结果表明柔性体系和刚性体系的杂交实际上只能为刚性体系提供大变形的安全储备,而并不能有效的降低体系的挠度,但是预应力的存在却可以有效的改变梁单元轴力的性质和水平。相比单层网壳,索杆梁体系的稳定性能有了较大提高。     

杆系结构可动性判定准则

基于矩阵的奇异值分解法,提出了杆系结构在考虑荷载作用下的可动性判定方法,包括含机构的杆系结构可动性判定和瞬变结构的判定。通过分析结构的平衡矩阵,计算自应力模态、机构位移模态,归纳出了荷载态下杆系结构可动性判定公式。结果显示若机构位移模态与荷载向量正交,则几何意义上的机构可演变为可以承受外界扰动、相对稳定的结构。另外对瞬变结构给出瞬变判定公式,弥补了体系分类的空缺。最后辅以算例验证,给出结论,系统列出细化后的结构体系分类表。     

索杆梁耦合结构分析模型及其应用研究

为了研究索杆滑动连接特性对索杆梁耦合结构受力的影响,定义了由一个通过滑动节点连接的三节点活动滑移索单元和多个两节点非活动滑移索单元组成的单元组,基于更新拉格朗日法推导了三节点直线型滑索单元几何非线性刚度矩阵,并建立了输电线路索杆梁耦合结构有限元模型。通过高压架空输电线路耐张段的非线性静力调索分析验证了耦合结构模型的可行性,探讨了耦合结构在导线发生断裂失效后的动响应变化规律及其传播特性。计算结果表明,导线静态张力与规范设计参数相差较小,可用于后续分析。考虑滑移的导线张力在导线断裂初期有短暂增加的趋势。导线断裂对邻近绝缘子和铁塔横担杆件的受力有明显的影响,且动响应的传播会导致邻近塔的导线张力增加。     

环箍-穹顶索杆结构局部断索抗倒塌能力分析

提出一种新型的环箍穹顶全张力自平衡索杆结构,该体系以环形张拉整体为周边环梁,中部支承Levy型索穹顶结构。由于该环箍穹顶结构冗余度较低,该文研究了局部索失效情况下的结构抗倒塌性能。考察了环形张拉整体中局部拉索破断后索穹顶环向约束刚度的降低程度,以及整体结构力学性能的影响。基于显式动力积分法,运用变换荷载路径法,通过移除失效拉索单元,分析模拟了环形张拉整体不同部位的拉索断裂后剩余结构的响应,包括节点位移、索杆内力等指标。根据响应值将断索分成四种类型,并对四种类型的索破断后结构是否产生连续倒塌进行了探索。分析结果表明,提出的环箍-穹顶索杆结构具有较好的抗连续倒塌性能,相关结论将为此类结构的工程应用及安全评估提供借鉴。     

张弦梁结构若干问题的探讨

张弦梁(桁架)结构已在我国大型工程中有所应用,但对该种结构的设计和施工过程的理论研究并不完善。对张弦梁结构设计和施工过程中的若干问题进行了较为深入的理论研究,包括该结构各个单元的预应力分布、施工过程的模拟分析等。首先,将平衡矩阵理论推广应用于包含索杆梁三种单元的杂交空间结构,给出了二节点梁单元和杆单元单元平衡矩阵的一般表达式,并对一小型张弦梁结构的整体平衡矩阵进行了分析,求得其独立自应力模态数为一。其次,提出了基于将索、杆单元和梁单元分开的结构分块的分析方法--局部分析法。该方法不仅可以用来求解张弦梁结构的初始预应力分布,同时也可以用于确定体系的零状态几何形状。因而求解张弦梁结构初始预应力分布就有了两种方法。最后,算例分析验证了方法的正确性。     

考虑摩擦的滑移索结构理论计算方法

滑移索结构在工程中有广泛的应用,目前分析此类结构仍主要以数值方法为主,缺乏理论解析计算方法。且其滑移计算分析时必须充分计入几何非线性和考虑摩擦的影响。该文基于悬链线理论,推导了单索无应力索长的一元解析表达式;在此基础上,引入Euler摩擦公式,根据滑移时总无应力索长不变和张力平衡特性,分别建立了自重和集中荷载下的多跨连续滑移索的解析方程组,并将其拓展到索杆滑移结构;采用精度可控的Newton-Raphson迭代法求解方程组,并运用编制程序对四个算例进行了计算分析。算例结果表明:该文提出的考虑摩擦的滑移索结构的理论分析方法不仅具有较高的计算精度,而且还有较好的工程适应性和有效性,可为多跨滑移索结构的设计与分析提供理论依据。     

索杆张力结构最不利预张力偏差的近似解析方法

索杆张力结构需依靠预张力来获得初始刚度和维持稳定性,但实际工程中索长误差等因素所引起的预张力偏差不可忽视。分别以单元绝对和相对预张力偏差平方和作为结构预张力偏差的评价指标,建立了两类指标与索长误差间的二次型解析表达式。利用其中二次型矩阵Rayleigh商的极性解释了结构最不利预张力偏差的有界性。进一步对二次型矩阵进行谱分解,将结构最不利预张力偏差表示为以该矩阵特征值为权重、以索长误差在特征向量上的投影值为因子的加权平方和形式。发现二次型矩阵的特征值衰减迅速,故近似采用其一阶特征值和特征向量便能有效估计结构的最不利预张力偏差大小以及对应的索长误差分布。采用该文方法对一个实际索杆张力结构的最不利预张力偏差进行求解,并与两种常规优化算法的计算结果进行对比考察了该方法的计算精度和有效性。     

基于平面折梁单元的可开启结构平衡矩阵分析方法

平面折梁单元是可开启结构中的常用单元类型。在平面梁单元基础上,构造平面多角折梁以及折梁单元组成的剪式铰两种超级单元,利用矩阵缩聚理论将内部自由度封装,推导超级单元平衡矩阵,组装可开启结构的整体平衡矩阵。通过矩阵奇异值分解,分离出自应力模态、机构位移模态、最小非零奇异值等信息,对可开启结构进行机动性能分析。运用基于平衡矩阵分解的非线性力法,提出主动与被动控制实现机构轨迹模拟。最后,基于该文给出的算法,从数值计算的角度寻找两类圆形径向可开启结构的拓扑形式,并模拟开启运动轨迹。     

索杆膜空间结构协同形态分析

针对索杆膜空间结构进行了协同形态分析。根据现有的索膜非线性有限元找形理论和索杆体系找力方法,并考虑施工成形过程,提出了一种新的适合于索杆膜空间结构形态分析的求解方法——形态迭代求解法,并编制了相应的程序,实现了算法。最后通过一个算例验证了形态迭代求解法的正确性并得到如下结论:按该文算法得到的找形结果满足力平衡方程、相容方程和建筑师给定的边界条件。设计验算时被动张拉索的预应力值应通过计算得到。该文程序可用于索杆膜空间结构考虑施工成形的设计验算。     

矩阵分解在张力集成体系模态分析中的应用

本文基于矩阵向量空间分解的理论给出了张力集成体系平衡矩阵子空间的物理解释，结合适合于长方形矩阵分解的修正的高斯消去法，给出了张力集成体系的模态矩阵的求解方法。通过几个数值算例验证了本文结论和方法是正确可行的。     

随机缺陷模态法在弦支穹顶稳定性计算中的应用

初始几何缺陷对弦支穹顶的稳定性能有较大的影响。在结构整体稳定性计算中,利用随机缺陷模态法为结构施加合理的初始几何缺陷是该文的主要研究目的。首先采用一致缺陷模态法,在不同初始几何缺陷下,对肋环2型弦支穹顶结构进行稳定性能分析,然后讨论随机缺陷模态中方差的取值方法,并利用该方法对肋环2型弦支穹顶结构进行了210种不同初始几何缺陷下的稳定性能分析,两种分析方法所施加缺陷的最大值均为结构跨度的1/300。分析结果表明:结构的初始几何缺陷对结构的稳定性能影响较大,考虑初始几何缺陷后结构稳定性能为完善结构的50%左右,且采用一致缺陷模态法时也需通过考虑不同缺陷分布形式的多次计算才能合理评估结构的稳定性能,建议在跨度较大、较为复杂的结构中采用随机模态法来考虑初始几何缺陷对结构稳定性能的影响。     

新型索杆预应力结构体系及其应用研究

本文在总结预应力网壳和索穹顶结构的基础上，给出了兼有上述二种结构优点的新型索杆预应力结构体系，分别给出了圆形平面、环形平面及矩形平面的各种形式，可供设计人员选用，此外还介绍了一直径为90m的新型索杆穹顶结构的工程应用。     

面向索网结构关键刚度监测的目标模态测试策略

各种因素引起的预张力偏差将导致既有索网结构的刚度退化。通过测试少量的目标模态可以监测到索网结构关键刚度的变化;由于预张力偏差的随机性,最初根据索网理想(数值)结构模型确定的目标模态会在其所处的密频区内发生模态跃迁、局部化等变化;如仅依据这些理想的目标模态进行动力测试,将会降低对实际结构关键刚度偏差的监测精度;利用矩阵摄动理论,指出实际结构的目标模态振型可以表示为同一密频区内理想结构模态振型的线性组合。针对密频区内理想结构的每一阶模态,进行阶跃激励优化并抑制该频率区域内其它模态的振动;证明只要将这些优化后的阶跃激励荷载逐一施加到实际结构上,则该密频区内所有目标模态的振动可被充分激发,从而保证了其识别精度;利用识别到的目标模态参数计算出实际结构在主控荷载下的静力位移,便可实现对关键刚度变化的评价;借助一个马鞍形索网结构算例,对引入预张力偏差后的结构进行目标模态测试以及关键刚度评价,计算结果验证了该方法的有效性。     

基于强几何非线性因素的覆冰导线舞动问题研究

分析了覆冰导线前三阶模态中在不同水平张力下各非线性刚度项系数与线性刚度项系数的比,通过讨论水平张力,线性恢复力、非线性恢复力与振动幅值之间的关系,确定了影响覆冰导线系统几何非线性强弱的主要因素。在此基础上,应用待定固有频率法计算了系统的稳态幅值和振动频率。数值模拟表明：各模态幅值均随风速增大而增大,且当受到强几何非线性因素的影响时,各阶模态的振动频率将远离初始频率,此时传统规范形理论的分析结果难以满足模型分析的精度要求,而本文研究结果则可以对模型的振动特性有比较准确地把握。     

星形四面体型索穹顶构形和预应力分析方法

为解决传统索穹顶结构环向刚度不足以及脊索网格布置不均等问题,提出了一种星形四面体型索穹顶,该索穹顶脊索环向连续布置,增加了结构抵抗不均匀荷载的能力。脊索网格水平面投影为星形单体且投影面积相同,从而保证了上弦脊索网格的均匀性,提高结构整体稳定性。针对该索穹顶结构的找力分析问题,方便了解各索杆预应力分布规律,利用节点平衡法与位移法,给出了结构在理想状态下初始预应力计算公式,计算了结构在不同矢跨比下索杆初始预应力,并给出了该结构的合适矢跨比与撑杆高度,为该结构的进一步研究和力学性能分析提供了依据,同时对该结构进行了全跨均布竖向荷载作用下的静力性能分析。结果表明:随着矢跨比和撑杆高度的增加,各索杆内力值均逐渐减小,结构矢跨比宜为1/10～1/8.5,所对应的撑杆高度宜在Δtan 15°～Δtan 20°,在此情况下结构具有较强的承载能力与良好的力学性能。     

受控弹性结构的高频自激振动

分析了结构控制中高频自激振动的原因。文中证明：具有对位速度负反馈的弹性结构总是渐近稳定的，不会因控制设计中的模态截断而引起控制溢出；但具有跨点速度负反馈的弹性结构则不然。经分析后指出，反馈环节和作动器的时滞是具有对位速度负反馈的结构产生高频自激振动的主要原因。在一定条件下，只要反馈增益足够大，高频自激振动就会发生。     

弯管塑性分析及其在模态分析中的应用

基于塑性分析，推导出直管弯曲后的壁厚变化公式和椭圆度公式，借助有限元法对弯曲管进行高精度模态频率计算，研究弯曲管几何特性变化对其模态的影响。进行了弯曲管的模态实验，并将实验结果和计算结果进行比较，结果表明本文提出的模型具有比较高的精度，特别是提高了第一阶固有频率的精度。     

单层网壳结构稳定性分析方法研究

为了准确地分析具有初始几何缺陷的单层网壳结构整体稳定性,运用随机缺陷模态法、一致缺陷模态法和N阶特征缺陷模态法,对4个不同矢跨比的K8型单层网壳进行了近1300例弹塑性荷载-位移全过程分析,探讨不同分析方法的合理性和可行性。研究表明:随机缺陷模态法能较为科学地评估初始几何缺陷对结构稳定性的影响,但计算量较大;对稳定承载力系数样本进行统计特性分析时,空间样本数量n不应小于100;运用随机缺陷模态法确定网壳结构最终的稳定承载力系数时,建议采用“3σ”原则;采用最低阶屈曲模态模拟初始几何缺陷分布,求得的稳定承载力并非最不利,其保证率得不到有效保证;N阶特征缺陷模态法能够通过较少的计算量,得到满足“3σ”原则要求的稳定承载力,并能较为合理、安全地评估网壳结构的稳定性能;在运用N阶特征缺陷模态法时,建议N=20。