新型索桿張力穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析及力學(xué)性能研究-陸金鈺

1、東南大學(xué)土木工程學(xué)院東南大學(xué)土木工程學(xué)院新型索桿張力穹頂結(jié)構(gòu)新型索桿張力穹頂結(jié)構(gòu)形態(tài)分析形態(tài)分析及及力學(xué)性能研究力學(xué)性能研究報(bào)告人: 陸金鈺2014.11.01第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 引言引言 半規(guī)則張拉整體單元半規(guī)則張拉整體單元 環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu) 新型索桿全張力自平衡體系新型索桿全張力自平衡體系 力學(xué)性能力學(xué)性能 結(jié)論結(jié)論概述概述第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 1. 引言引言張拉整體張拉整體: “由一組離散的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)受拉構(gòu)件組成的穩(wěn)由一組離散的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)受拉構(gòu)件組成

2、的穩(wěn)定自平衡結(jié)構(gòu)體系定自平衡結(jié)構(gòu)體系?！睉?yīng)用應(yīng)用: 目前主要應(yīng)用于建筑和藝術(shù)領(lǐng)域目前主要應(yīng)用于建筑和藝術(shù)領(lǐng)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頂四面體截頂四面體第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 將張拉整體引入到索穹頂形成一種新型索桿張力結(jié)構(gòu)體系。將張拉整體引入到索穹頂形成一種新型索桿張力結(jié)構(gòu)體系。能否實(shí)現(xiàn)？能否實(shí)現(xiàn)？索穹頂索穹頂:“一種支承于周邊受壓環(huán)梁上的張力集成或全張力空間結(jié)構(gòu)體一種支承于周邊受壓環(huán)梁上的張力集成或全張力空間結(jié)構(gòu)體系系?！?(Geiger, 1986)1.引言引言混凝土環(huán)梁及鋼桁架環(huán)梁混凝土環(huán)梁及鋼桁架環(huán)梁第十五屆空間第十五屆空間

3、結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 1.引言引言規(guī)則張拉整體規(guī)則張拉整體 很難適應(yīng)不同形狀很難適應(yīng)不同形狀非規(guī)則張拉整體非規(guī)則張拉整體 找形復(fù)雜找形復(fù)雜, 耗時(shí)較多耗時(shí)較多, 構(gòu)件不易設(shè)計(jì)、制造構(gòu)件不易設(shè)計(jì)、制造（羅堯治、許賢（羅堯治、許賢, 2010） 雙層張拉整體雙層張拉整體(Quirant et al., 2003) 柱狀張拉整體柱狀張拉整體(Murakami and Nishimura, 2001) (Zhang et.al, 2006) 球形張拉整體球形張拉整體(Quirant et al., 2003) 第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 2.半規(guī)則張拉整體單元半規(guī)則張拉整體單

4、元平衡矩陣平衡矩陣zyxzyxPPPAAAPA 力平衡方程力平衡方程 )(xAdiagTx=關(guān)聯(lián)矩陣關(guān)聯(lián)矩陣 TUSV=A平衡矩陣奇異值分解平衡矩陣奇異值分解0AVS張拉整體所需滿足的條件：張拉整體所需滿足的條件： 得到非零解得到非零解, A的最小奇異值為零的最小奇異值為零自應(yīng)力模態(tài)自應(yīng)力模態(tài)張拉整體的幾何穩(wěn)定性：張拉整體的幾何穩(wěn)定性： 判定乘積力判定乘積力 的正定性的正定性SVmU機(jī)構(gòu)位移模態(tài)機(jī)構(gòu)位移模態(tài)(Calladine and Pellegrino, 1991)mUGT第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 經(jīng)典半八面體張拉整體經(jīng)典半八面體張拉整體單元單元正八面體正八面體找形

5、過(guò)程找形過(guò)程梯形變換梯形變換 設(shè)計(jì)公式設(shè)計(jì)公式12000EAAxxz200002001122EAEAEAxxxx-x-y最小奇異值分布最小奇異值分布半規(guī)則張拉半規(guī)則張拉整體單元整體單元2.半規(guī)則張拉整體單元半規(guī)則張拉整體單元第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 2.半規(guī)則張拉整體單元半規(guī)則張拉整體單元單元性質(zhì)單元性質(zhì)平衡矩陣平衡矩陣A的維數(shù)的維數(shù): 2416s=1, m=3自應(yīng)力模態(tài)自應(yīng)力模態(tài) 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幾何穩(wěn)定性幾何穩(wěn)定性presstV 0TTUGm第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 單元拼裝單元拼裝軸測(cè)圖軸測(cè)圖俯視圖俯視圖 12cosntanxE210cosysinzntancosntanxAAA0001nsinRzzyyxxxxAAAAAAEE00003. 環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)局部坐標(biāo)局部坐標(biāo)第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 可行預(yù)應(yīng)力可行預(yù)應(yīng)力環(huán)形張拉整體的初始預(yù)應(yīng)力及協(xié)同找形后的初始預(yù)應(yīng)力環(huán)形張拉整體的初始預(yù)應(yīng)力及協(xié)同找形后的初始預(yù)應(yīng)力 前前20階自振頻率階自振頻率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 參數(shù)：參數(shù)：截面積：截面積： 8.24310-3m2 （桿）（桿）; 1.92410-3m2 （索）（索）彈性模量：彈性模量： 2.06105Mpa （桿）（桿）; 1.95105Mpa （索）（索） 壓桿屈服強(qiáng)度：壓桿屈服強(qiáng)度： 360Mpa拉索極限強(qiáng)度：拉

8、索極限強(qiáng)度： 1670Mpa3. 環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 3. 環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 參數(shù)化建模參數(shù)化建模n=8, 2R,=90 n=16, 2R,=0 3. 環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 體系構(gòu)成體系構(gòu)成環(huán)形張拉整體環(huán)形張拉整體 + 索穹頂索穹頂4. 新型索桿全張力自平衡體系新型索桿全張力自平衡體系共用索共用索 Levy型型第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 可行預(yù)應(yīng)力可行預(yù)應(yīng)力初始預(yù)應(yīng)力及協(xié)同找形后的初始預(yù)應(yīng)

9、力初始預(yù)應(yīng)力及協(xié)同找形后的初始預(yù)應(yīng)力 參數(shù)：參數(shù)：截面積：截面積： 環(huán)形張拉整體：環(huán)形張拉整體：8.24310-3m2（桿）（桿）; 1.92410-3m2（索）（索） 索穹頂：索穹頂：4.15510-4m2（桿）（桿）; 2.88610-4m2（索）（索）彈性模量：彈性模量： 2.06105Mpa （桿）（桿）; 1.95105Mpa （索）（索） 壓桿屈服強(qiáng)度：壓桿屈服強(qiáng)度： 360Mpa拉索極限強(qiáng)度：拉索極限強(qiáng)度： 1670Mpa4. 新型索桿全張力自平衡體系新型索桿全張力自平衡體系第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 前前20階自振頻率階自振頻率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階自振模態(tài)階自振模態(tài) 4. 新型索桿全張力自平衡體系新型索桿全張力自平衡體系第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 實(shí)物模型實(shí)物模型n=12, 2R=0.8m,=60 4. 新型索桿全張力自平衡體系新型索桿全張力自平衡體系第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 實(shí)物模型實(shí)物

11、模型n=12, 2R=2m,=60 4. 新型索桿全張力自平衡體系新型索桿全張力自平衡體系第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 參數(shù)分析參數(shù)分析5. 力學(xué)性能力學(xué)性能n=12 2R=50m=60=67.5基準(zhǔn)參數(shù)基準(zhǔn)參數(shù)=1.0=1.3 =1.0 =1.1=1.6 =1.2=0.6=0.8=52.5 =0.8 =0.9：環(huán)形：環(huán)形TS索桿面積索桿面積系數(shù)系數(shù)：環(huán)形：環(huán)形TS預(yù)應(yīng)力水平預(yù)應(yīng)力水平系數(shù)系數(shù) ：環(huán)形：環(huán)形TS單元傾角單元傾角 第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 5. 力學(xué)性能力學(xué)性能：環(huán)形：環(huán)形TS索桿面積索桿面積系數(shù)影響系數(shù)影響剛剛度度增增大大第十五屆空間

12、第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 5. 力學(xué)性能力學(xué)性能：環(huán)形：環(huán)形TS預(yù)應(yīng)力水平預(yù)應(yīng)力水平系數(shù)影響系數(shù)影響 剛剛度度增增大大第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 5. 力學(xué)性能力學(xué)性能：環(huán)形：環(huán)形TS單元傾角單元傾角影響影響 剛剛度度增增大大第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 6. 結(jié)論結(jié)論基于半八面體張拉整體單元的幾何和拓?fù)潢P(guān)系，提出了一種新型基于半八面體張拉整體單元的幾何和拓?fù)潢P(guān)系，提出了一種新型半規(guī)則張拉整體單元。半規(guī)則張拉整體單元。給出了環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)的給出了環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方法構(gòu)造方法以及以及結(jié)構(gòu)整體可行預(yù)應(yīng)力。結(jié)構(gòu)整體可行預(yù)應(yīng)力。 以以環(huán)形張

13、拉整體結(jié)構(gòu)環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)作為作為周邊環(huán)梁周邊環(huán)梁，中部中部引入引入索穹頂索穹頂與之無(wú)縫對(duì)與之無(wú)縫對(duì)接，構(gòu)建了接，構(gòu)建了新型索桿張力結(jié)構(gòu)體系新型索桿張力結(jié)構(gòu)體系，并計(jì)算了可行預(yù)應(yīng)力。，并計(jì)算了可行預(yù)應(yīng)力。 通過(guò)通過(guò)多參數(shù)數(shù)值分析多參數(shù)數(shù)值分析表明環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)與索穹頂結(jié)構(gòu)能獲得表明環(huán)形張拉整體結(jié)構(gòu)與索穹頂結(jié)構(gòu)能獲得較好的協(xié)同工作性能較好的協(xié)同工作性能及及整體剛度整體剛度，且環(huán)梁具有，且環(huán)梁具有剛度可調(diào)特性剛度可調(diào)特性。未來(lái)更多有關(guān)該結(jié)構(gòu)體系的靜動(dòng)力學(xué)性能和施工方法等工作將會(huì)未來(lái)更多有關(guān)該結(jié)構(gòu)體系的靜動(dòng)力學(xué)性能和施工方法等工作將會(huì)開展，使其能滿足實(shí)際工程應(yīng)用。開展，使其能滿足實(shí)際工程應(yīng)用。第十五屆空間第十五屆空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)會(huì)議 6. 結(jié)論結(jié)論動(dòng)畫展示動(dòng)畫展示懇請(qǐng)各位專家批評(píng)指正懇請(qǐng)各位專家批評(píng)指正謝謝謝謝! !力學(xué)性能力學(xué)性能參數(shù)參數(shù): 預(yù)應(yīng)力（預(yù)應(yīng)力（T）60/ 0.8T / 1A49.8mm60/ 1.0T / 1A49.3mm60/ 1.2T / 1A48.7mm剛度剛度索桿張力結(jié)構(gòu)體系索桿張力結(jié)構(gòu)體系剛度剛度60/ 1.0T / 0.6A53.1mm力學(xué)性能力學(xué)性能參數(shù)參數(shù): 截面積（截面積（A）60/ 1.0T / 1A49.3mm60/ 1.0T / 1.6A44.6m