环向折线形单层球面网壳的理论分析与试验研究
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摘要
本文提出的环向折线形单层球面网壳是一种由三角形网格组成、外形具有环向折板造型的单层球面网壳结构。这种结构是单向折线形平板网架在回转曲面结构构形中的拓展,兼有双层网架和单层网壳的受力特性和优点,可用于中小跨度的闭口穹顶结构,也可用于开大、小孔洞的屋盖和悬挑结构。为改善环向折线形单层球面网壳的受力性能,本文还提出了弦支环向折线形单层球面网壳结构,从而使得结构可以跨越更大的跨度。针对这两种新型结构体系,本文分别从理论和试验两个方面进行了系统研究。
第1章回顾了网壳结构的发展历史、形式与分类,介绍了折线形结构的发展过程、结构特点和工程应用情况,系统阐述了本文的研究背景,明确了论文的研究内容。
第2章归纳和总结了环向折线形单层球面网壳结构体系的结构形式,根据有无加强杆件、折板厚度变化情况、杆件与节点类型提出了三种不同的分类方法；为改善结构受力性能提出了预应力环向折线形单层球面网壳结构,并根据不同的索杆布置方式对预应力网壳结构进行了分类。
第3章通过对环向折线形单层铰接球面网壳基本结构体系的构型研究和机动分析,论证了它是一种满足几何不变性要求的静定空间桁架结构；针对环向折线形单层铰接球面网壳基本结构体系和环杆加强结构体系提出了简化杆系计算模型,建立了基本方程,可方便地求得结构的内力和位移,同时指出,这也是个精确解。
第4章对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和内圈封口的加强结构体系进行了均布荷载作用下的静力性能分析,研究了不同节点连接方案对结构静力性能的影响；以节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系为研究对象,分析了矢跨比、厚跨比和孔跨比等参数对结构静力性能的影响。
第5章对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和内圈封口的加强结构体系进行了动力特性分析,研究了不同节点连接方案对结构动力性能的影响。以节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系为研究对象,分析了矢跨比、厚跨比和孔跨比等参数对结构动力性能的影响；对内圈封口的环向折线形单层铰接球面网壳及其对应的全刚接网壳两种结构,分别采用振型分解反应谱法和时程分析法进行了抗震性能分析,并将所得结果进行了对比。
第6章对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和内圈封口的加强结构体系进行了均布荷载作用下的稳定性能分析,研究了不同节点连接方案对结构稳定性能的影响；以节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系为研究对象,分析了矢跨比、厚跨比和孔跨比等参数对结构稳定性能的影响。
第7章对五种不同布索方案的弦支环向折线形单层球面网壳结构的静力性能、动力性能和稳定性能进行了分析,并与环向折线形单层球面网壳结构进行了对比。对环向折线形单层球面网壳、弦支环向折线形单层球面网壳、单层球面网壳和双层球面网壳这四种结构的用钢指标做了对比分析。
第8章设计了一环向折线形单层球面网壳结构的试验模型,分别对节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系及其弦支结构体系进行了全跨、半跨荷载下的静力荷载试验,对试验数据与理论分析结果进行了比较和分析。
第9章对本文的研究内容做了总结,指出了今后进一步的研究方向。
The circumferential folded single-layer reticulated spherical shell proposed in this thesis is a kind of single-layer reticulated shell composed of triangular mesh, having the circumferential folded-plane appearance. This shell is the expansion of the folded-plane space truss in curved surface configuration, combining the advantages of double-layer reticulated shell and the single-layer reticulated spherical shell, which can be applied to dome and cantilever structures. In order to improve the mechanics properties and stride across longer span, the suspended circumferential folded single-layer reticulated spherical shell is put forward. This thesis carries out theoretical and experimental researchs on these new structures.
Capter1reviews the development history, forms and classification of reticulated shell, and also introducts the development, structure characteristics, engineering applications of folded-plane structures. Furthermore the background and contents of the paper are introduced.
Chapter2summarizes the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell, and gives three ways to classify. In order to improve the structural mechanical behavior, the prestressed shell based on the basic structure is proposed. According to different arrangement of lower cables and bars, this thesis also gives the classification of this kind of prestressed shell.
Chapter3carries out kinematical and configuration analysis of the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell, and demonstrates that basic structure is a kind of geometric invariant space truss. The simplified truss model and structural calculation method are also proposed under two cases:the basic structure and the reinforced structure with inner lower circumferential bars.
Chapter4conducts the static properties of the basic structure and the reinforced structure with lower inner circumferential bars under different joint connection scheme. The effects of the rise-to-span ratio, thickness-to-span ratio and hole-to-span ratio on static behaviours of the reinforced structure with inner lower circumferential bars using hinged joint are studied also.
Chapter5researches the dynamic performance of the basic structure and the reinforced structure with lower inner circumferential bars under different joint connection scheme. The effects of the rise-to-span ratio, thickness-to-span ratio and hole-to-span ratio on the dynamic performance of the reinforced structure using hinged joint are researched also. In order to know the seimisc performance, the reinforced structures with all hinged joint and all rigid joint under seismic loading are analyzed by the response spectrum method and the step-by-step integration procedure respectively.
Chapter6studies the stabilities of the basic structure and the reinforced structure with lower inner circumferential bars under different joint connection scheme. The effects of the rise-to-span ratio, thickness-to-span ratio and hole-to-span ratio on the stability of the reinforced structure using hinged joint are researched.
Chapter7analysis the static properties, dynamic charicteritics and stabilities of the five kinds of the suspended circumferential folded single-layer reticulated spherical shell, and compared these with the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell. By the way of steel consumption quotas of different shells are analized.
Chapter8designs an experimental model of the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell. Static loading tests are carried out on the reinforced structure with lower inner circumferential bars and that suspended structure. The results of theoretical and experimental research are also compared.
Chapter9gives the summary and some future research suggestions.
第1章回顾了网壳结构的发展历史、形式与分类,介绍了折线形结构的发展过程、结构特点和工程应用情况,系统阐述了本文的研究背景,明确了论文的研究内容。
第2章归纳和总结了环向折线形单层球面网壳结构体系的结构形式,根据有无加强杆件、折板厚度变化情况、杆件与节点类型提出了三种不同的分类方法；为改善结构受力性能提出了预应力环向折线形单层球面网壳结构,并根据不同的索杆布置方式对预应力网壳结构进行了分类。
第3章通过对环向折线形单层铰接球面网壳基本结构体系的构型研究和机动分析,论证了它是一种满足几何不变性要求的静定空间桁架结构；针对环向折线形单层铰接球面网壳基本结构体系和环杆加强结构体系提出了简化杆系计算模型,建立了基本方程,可方便地求得结构的内力和位移,同时指出,这也是个精确解。
第4章对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和内圈封口的加强结构体系进行了均布荷载作用下的静力性能分析,研究了不同节点连接方案对结构静力性能的影响；以节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系为研究对象,分析了矢跨比、厚跨比和孔跨比等参数对结构静力性能的影响。
第5章对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和内圈封口的加强结构体系进行了动力特性分析,研究了不同节点连接方案对结构动力性能的影响。以节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系为研究对象,分析了矢跨比、厚跨比和孔跨比等参数对结构动力性能的影响；对内圈封口的环向折线形单层铰接球面网壳及其对应的全刚接网壳两种结构,分别采用振型分解反应谱法和时程分析法进行了抗震性能分析,并将所得结果进行了对比。
第6章对环向折线形单层球面网壳基本结构体系和内圈封口的加强结构体系进行了均布荷载作用下的稳定性能分析,研究了不同节点连接方案对结构稳定性能的影响；以节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系为研究对象,分析了矢跨比、厚跨比和孔跨比等参数对结构稳定性能的影响。
第7章对五种不同布索方案的弦支环向折线形单层球面网壳结构的静力性能、动力性能和稳定性能进行了分析,并与环向折线形单层球面网壳结构进行了对比。对环向折线形单层球面网壳、弦支环向折线形单层球面网壳、单层球面网壳和双层球面网壳这四种结构的用钢指标做了对比分析。
第8章设计了一环向折线形单层球面网壳结构的试验模型,分别对节点为全铰接的内圈封口的加强结构体系及其弦支结构体系进行了全跨、半跨荷载下的静力荷载试验,对试验数据与理论分析结果进行了比较和分析。
第9章对本文的研究内容做了总结,指出了今后进一步的研究方向。
The circumferential folded single-layer reticulated spherical shell proposed in this thesis is a kind of single-layer reticulated shell composed of triangular mesh, having the circumferential folded-plane appearance. This shell is the expansion of the folded-plane space truss in curved surface configuration, combining the advantages of double-layer reticulated shell and the single-layer reticulated spherical shell, which can be applied to dome and cantilever structures. In order to improve the mechanics properties and stride across longer span, the suspended circumferential folded single-layer reticulated spherical shell is put forward. This thesis carries out theoretical and experimental researchs on these new structures.
Capter1reviews the development history, forms and classification of reticulated shell, and also introducts the development, structure characteristics, engineering applications of folded-plane structures. Furthermore the background and contents of the paper are introduced.
Chapter2summarizes the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell, and gives three ways to classify. In order to improve the structural mechanical behavior, the prestressed shell based on the basic structure is proposed. According to different arrangement of lower cables and bars, this thesis also gives the classification of this kind of prestressed shell.
Chapter3carries out kinematical and configuration analysis of the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell, and demonstrates that basic structure is a kind of geometric invariant space truss. The simplified truss model and structural calculation method are also proposed under two cases:the basic structure and the reinforced structure with inner lower circumferential bars.
Chapter4conducts the static properties of the basic structure and the reinforced structure with lower inner circumferential bars under different joint connection scheme. The effects of the rise-to-span ratio, thickness-to-span ratio and hole-to-span ratio on static behaviours of the reinforced structure with inner lower circumferential bars using hinged joint are studied also.
Chapter5researches the dynamic performance of the basic structure and the reinforced structure with lower inner circumferential bars under different joint connection scheme. The effects of the rise-to-span ratio, thickness-to-span ratio and hole-to-span ratio on the dynamic performance of the reinforced structure using hinged joint are researched also. In order to know the seimisc performance, the reinforced structures with all hinged joint and all rigid joint under seismic loading are analyzed by the response spectrum method and the step-by-step integration procedure respectively.
Chapter6studies the stabilities of the basic structure and the reinforced structure with lower inner circumferential bars under different joint connection scheme. The effects of the rise-to-span ratio, thickness-to-span ratio and hole-to-span ratio on the stability of the reinforced structure using hinged joint are researched.
Chapter7analysis the static properties, dynamic charicteritics and stabilities of the five kinds of the suspended circumferential folded single-layer reticulated spherical shell, and compared these with the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell. By the way of steel consumption quotas of different shells are analized.
Chapter8designs an experimental model of the circumferential folded single-layer reticulated spherical shell. Static loading tests are carried out on the reinforced structure with lower inner circumferential bars and that suspended structure. The results of theoretical and experimental research are also compared.
Chapter9gives the summary and some future research suggestions.
引文
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