鸟巢形网架结构的静动力性能研究
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摘要
鸟巢形国家体育场是2008年北京奥运会的中标方案，其屋盖主体结构实际上是两向不规则斜交的平面桁架系组成的椭圆平面网架结构，每榀桁架与内环相切或接近相切，不妨称其为鸟巢形网架。这是一种新的网架结构形式，迄今为止对这种结构的研究在国内外还不曾有过。因此，系统、深入地研究该种结构的力学性能具有重要的理论意义和实用价值。
本文研究了圆形平面的鸟巢形网架，分析了结构构形，它可由统一的一类平面桁架系组成。对于特定边界条件的鸟巢形网架，本文提出了简化计算法和相应的计算公式，可以方便地计算网架各杆件的内力和节点挠度。
具体研究了结构体系在竖向荷载作用下的内力、位移等静力特性，得到了结构杆件内力的分布情况、桁架节点竖向位移大小，以达到对结构体系静力特性有全面的了解。
研究了鸟巢形网架结构的自振特性，给出了其各阶频率及对应的振型，随后研究了不同参数对自振特性的影响，对边界约束、不同体系两二个参数变化进行分析。
利用振型分解反应谱法研究了结构在常遇地震下的线性抗震性能，得到动内力的分布规律。采用时程分析法分析该结构在常遇地震作用下的结构响应，同时与反应谱分析结果作比较，得到了该种结构体系应采用时程分析法进行动力分析的结论。
论文最后对上述研究内容及成果作了简单的总结，并指出进一步研究的方向和具体亟待完成的工作。
The bird-nest-patterned stadium is the successful bid scheme for 2008 Olympic Games in Peking. The major structure of its roof is an elliptic plane grid structure which consists of several plane trusses irregularly crossed in two directions. Each truss is tangential or tangential approximately to the internal ring. It is thus named as a bird-nest-patterned grid structure. Up to now, no studies on this type of structure have been carried out at home and abroad. Thus, it is important to study the structural performances in theory and engineering.
In this paper a circular bird-nest-patterned grid structure consists of some identical plane trusses is first investigated in the aspects of form and load behavior. Then the simplified calculation method for such structures with special boundary condition is proposed. Using the simplified method and derived formula, the internal force of each bar and displacement of each node can be obtained conveniently.
Circular bird-nest-patterned grid structure is discussed about its static behavior when acted by .vertical loads. The internal force of bar and displacement of node are studied. The distributing of internal force and vertical displacement of truss node is analyzed. In order to roundly analyze the mechanical property, its internal force and displacement is discussed systematically.
The vibration characteristic of certain model is analyzed. Frequency, vibration shapes and stiffness distributing of the structure are find out. The influence on vibration characteristic acted by difference including boundary constrain and different form is studied..
Vibration shapes-separation-spectra-method is adopted to analyze the dynamics behavior of circular bird-nest-patterned grid structure under the common earthquake, The law of dynamic, internal force is obtained. The step-by-step integration procedure is adopted to analyze the dynamic response of circular bird-nest-patterned grid structure under common earthquake, compared with analysis result by Vibration shapes-separation-spectra-method, the conclusion that time-history method should be adopted to analyze dynamic characteristic of this structure is obtained.
Finally, some conclusions are summarized and the topics for further research are put forward to.
本文研究了圆形平面的鸟巢形网架，分析了结构构形，它可由统一的一类平面桁架系组成。对于特定边界条件的鸟巢形网架，本文提出了简化计算法和相应的计算公式，可以方便地计算网架各杆件的内力和节点挠度。
具体研究了结构体系在竖向荷载作用下的内力、位移等静力特性，得到了结构杆件内力的分布情况、桁架节点竖向位移大小，以达到对结构体系静力特性有全面的了解。
研究了鸟巢形网架结构的自振特性，给出了其各阶频率及对应的振型，随后研究了不同参数对自振特性的影响，对边界约束、不同体系两二个参数变化进行分析。
利用振型分解反应谱法研究了结构在常遇地震下的线性抗震性能，得到动内力的分布规律。采用时程分析法分析该结构在常遇地震作用下的结构响应，同时与反应谱分析结果作比较，得到了该种结构体系应采用时程分析法进行动力分析的结论。
论文最后对上述研究内容及成果作了简单的总结，并指出进一步研究的方向和具体亟待完成的工作。
The bird-nest-patterned stadium is the successful bid scheme for 2008 Olympic Games in Peking. The major structure of its roof is an elliptic plane grid structure which consists of several plane trusses irregularly crossed in two directions. Each truss is tangential or tangential approximately to the internal ring. It is thus named as a bird-nest-patterned grid structure. Up to now, no studies on this type of structure have been carried out at home and abroad. Thus, it is important to study the structural performances in theory and engineering.
In this paper a circular bird-nest-patterned grid structure consists of some identical plane trusses is first investigated in the aspects of form and load behavior. Then the simplified calculation method for such structures with special boundary condition is proposed. Using the simplified method and derived formula, the internal force of each bar and displacement of each node can be obtained conveniently.
Circular bird-nest-patterned grid structure is discussed about its static behavior when acted by .vertical loads. The internal force of bar and displacement of node are studied. The distributing of internal force and vertical displacement of truss node is analyzed. In order to roundly analyze the mechanical property, its internal force and displacement is discussed systematically.
The vibration characteristic of certain model is analyzed. Frequency, vibration shapes and stiffness distributing of the structure are find out. The influence on vibration characteristic acted by difference including boundary constrain and different form is studied..
Vibration shapes-separation-spectra-method is adopted to analyze the dynamics behavior of circular bird-nest-patterned grid structure under the common earthquake, The law of dynamic, internal force is obtained. The step-by-step integration procedure is adopted to analyze the dynamic response of circular bird-nest-patterned grid structure under common earthquake, compared with analysis result by Vibration shapes-separation-spectra-method, the conclusion that time-history method should be adopted to analyze dynamic characteristic of this structure is obtained.
Finally, some conclusions are summarized and the topics for further research are put forward to.
引文
[1] 董石麟．我国大跨度空间钢结构的发展与展望．空间结构，2000年2期
[2] 董石麟．中国大陆预应力大跨度空间结构的应用、发展与展望．第二届海峡两岸及香港钢结构技术交流会，台北，2001年
[3] 刘锡良，董石麟．20年来中国空间结构形式创新．第十届空间结构学术会议论文集，北京，2002
[4] 刘锡良．现代空间结构．天津：天津大学出版社，2003年
[5] 沈士钊．大跨度空间结构的发展——回顾和展望．土木工程学报，1998年3期
[6] 尹德玉，刘善维，钱若军．网架结构设计．北京：中国建筑工业出版社，1996
[7] 沈士钊．中国空间结构理论研究20年进展．第十届空间结构学术会议论文集，北京，2002
[8] 董石麟，赵阳，周岱．我国空间钢结构发展中的新技术、新结构．土木工程学报，1998年6期
[9] 罗尧治，董石麟．MSTCAD的开发．空间结构，1995年3期
[10] 罗尧治．空间网格结构分析设计软件MSTCAD说明书．浙江大学空间结构研究中心，2003
[11] 卓新，周亚刚，董石麟．多面体形态空间结构的设计．空间结构，2002年4期
[12] 卓新，董石麟．基于仿生学的空间结构形体设计．空间结构，2003年3期
[13] 肖炽，马少华，王伟成．空间结构设计与施工．南京：东南大学出版社，1993
[14] 董石麟，姚谏．网架结构的未来与希望．空间结构创刊号，1994：3-10
[15] 沈士钊，陈昕．网壳结构稳定性．北京：科学出版社，1999
[16] 张其林．索和膜结构．上海同济大学出版社，2002
[17] 董石麟，赵阳．论空间结构的形式与分类．土木工程学报，2004年1期
[18] 史玉才．网壳结构的“逆作法”施工．空间结构，1995年4期
[19] 王春江、钱若军、王人鹏．张力集成单元的形态判定．空间结构，2000，6(3)：16-25
[20] 王春江、钱若军、王人鹏．张力集成体系技术述评．空间结构，2001，7(1)：17-24
[21] 刘锡良、陈志华．一种新型空间结构一张拉整体体系[J]．土木工程学报，1995
[22] R.B. Fuller. Tensile-integrity structure[P]. U.S. Patent 3063521, 1962
[23] 罗尧治、董石麟．平板型张拉整体结构几何体系及受力特性分析．空间结构，2001，7(1)：11—16
[24] 钱若军、董明、杨联萍、邱枕戈．张力集成体．空间结构，2002，8(3)：3—13
[25] 陈志华、王小盾、刘锡良．张拉整体结构的力密度法找形分析[J]．建筑结构学报，1999，20(5)
[26] R. Levy, W.R. Spillers. Pratical methods of shape-finding formembranes and cable nets[J]. J. Struct. Eng, 1998, 124 (4): 466—468
[27] R Motro. Form finding numerical methods for tensegrity systems[A], Proc. IASS-ASCE Int. Symposium[C],1994
[28] 董智力、何广乾、林春哲．张拉整体结构平衡状态的寻找[J]．建筑结构学报，1999，20(5)
[29] Liu, Y.,and Motro, R.,1995, Shape analysis and internal forces in unstable structures, Vol. 2, Proc. IASS Int. Symposium. 819—826
[30] Hangai Y., 1981. Application of the generalized inverse to the geometrically nonlinear problem[J]. Solid Mechanics(SM)Archives, 6(1): 129—165
[31] 胡宁．索杆膜空间结构协同分析理论及风振响应研究．浙江大学博士学位论文，2003
[32] 罗尧治．索杆张力结构几何稳定性．浙江大学学报，2000年6期
[33] 陈晓光，罗尧治．张拉整体单元找形问题研究．空间结构，2003年1期
[34] 邓华．预应力杆件体系的结构判定．空间结构，2000年1期
[35] 袁行飞，董石麟．索穹顶结构整体可行预应力概念及其应用．土木工程学报，2001年2期
[36] 沈雁彬．索杆膜结构的模型试验与研究．浙江大学硕士学位论文，2002
[37] 杨睿．预应力张弦梁结构的形态分析及新体系的静力性能研究．浙江大学硕士学位论文，2002
[38] 白正仙．张弦梁结构的理论分析与试验研究．天津大学博士学位论文，1999
[39] F Mohri and R Morro. Static and kinematic determination of generalized space reticulated systems[J]. International Journal of Solids & Structrues, 1993,30(2):231-237
[40] C R Calladine, Buckminster Fuller's "tensegrity" structures and
Clerk Maxwell's rules for the construction of stiff frames[J]. International Journal of Solids & Structures, 1978, 4: 161-172
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[43] ISHII K. Membrane designs and structures in the world[M]. Shinkenchiku-sha, 1999.
[44] 蓝天．当代膜结构发展概述[J]．世界建筑，2000，19(9)：17—20. LAN Tian. Overview of modern membrane structures development[J]. World Architecture, 2000, 19(9): 17—20.
[45] CALLADINE C R. Buckminster Fuller's "Tensegrity" structures and Clerk Maxwell's rules for the construction of stiff frames[J]. Int. J. Solids Structures, 1978, 14: 161—172.
[46] GEIGER D, STEFANIUK A, CHEN D. The design and construction of two cable domes for the Korean Olympics[A]. Shells, Membranes and Space Frames, Proceedings IASS Symposium[C], Osaka, 1986: 265—272.
[47] LEVY M P. Georgia dome and beyond achieving light weigh-long span structures[A]. Proceedings, IASS-ASCE International Symposium[C], 1994: 560—562.
[48] W. r. Terry, Georgia Dome Cable Roof Construction Techniques. Proc. IASS-ASCE Int. Symp., 1994
[49] D. H. Geiger. Design Details of an Elliptical Cable Dome and A Large span Cable Dome Under Construction in the United States. Proc. Iass Symp., On Innovative Applications of shells and Spatial Forms, Banga lore, Oxford &IBM Publ. Co. m, 1998
[50] 董石麟，钱若军．空间网格结构分析理论与计算方法．北京：中国建筑工业出版社，2000
[51] 沈祖炎，董石麟，陈学潮．空间网格结构论文集．上海：同济大学出版社，1991
[52] 空间结构．浙江大学建筑工程学院，浙江大学建筑设计研究院编著．北京：中国计划出版社，2003，12
[53] 沈祖炎，陈扬骥．网架与网壳．上海：同济大学出版社，1997
[54] 蓝天，刘枫．中国空间结构的20年．第十届空间结构学术会议论文集，北京，2002
[55] 石永久，王岚，侯建群．国家体育场主体钢结构方案优化．建筑结构，2003年10期
[56] 董石麟，陈兴刚．鸟巢形网架的构形、受力特性和简化计算方法．建筑结构，2003年10期
[57] 龙驭球，包世华．结构力学教程．北京：高等教育出版社，1988．9．
[58] 朱伯芳．有限单元法原理与应用[M]．北京：中国水利水电出版社，1998
[59] 陈绍蕃．钢结构．北京：中国建筑工业出版社，1994
[60] 中华人民共和国行业标准．网架结构设计与施工规程JGJ 7-91．北京：中国建筑工业出版社，1991
[61] 中华人民共和国行业标准．建筑抗震设计规范GB 50011-2001．北京：中国建筑工业出版社，2001
[62] 中华人民共和国行业标准．钢结构设计规范GB 50017-2003．北京：中国建筑工业出版社，2003
[63] 文双玲等．西安国际展览中心钢结构设计．建筑结构，2001年6期
[64] 朱伯龙等．工程结构抗震设计原理．上海科学技术出版社，1982．
[65] 罗尧治，陈向阳，严慧．组合网架结构竖向地震响应分析．土木工程学报，2001年5期
[66] 李国豪．工程结构抗震动力学．上海科学技术出版社，1980．2
[67] 梁启智．高层建筑分析与设计．广州：华南理工大学出版社，1992．
[68] 张相庭．高层建筑抗风抗震设计计算．上海：同济大学出版社，1996．
[69] 蓝天，张毅刚著，大跨度屋盖结构抗震设计．中国建筑工业出版社，2000．12
[70] 高博青，董石麟．折板式网壳结构的动力性能分析．建筑结构学报，2002年1期
[71] 钟善桐，沈世钊．大跨度房屋钢结构．北京：中国建筑工业出版社，1993
[72] 小高昭夫等．耐震耐风构造．建筑构造学7，鹿岛出版会，昭和47年
[73] 郭继武．建筑抗震设计．北京：高等教育出版社，1994．
[74] 郭长城等．建筑结构振动计算．中国建筑工业出版社，1982
[75] K．J．巴特，E．L．威尔逊．有限元分析中的数值方法．北京：科学出版社，1985．
[76] 钱培风．结构抗震分析．北京：地震出版社，1978
[77] 王光远．建筑结构的振动．北京：科学出版社，1978
[78] 卢群鑫．大型环状索杆结构的静动力性能研究．浙江大学硕士学位论文，2003
[2] 董石麟．中国大陆预应力大跨度空间结构的应用、发展与展望．第二届海峡两岸及香港钢结构技术交流会，台北，2001年
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