文档介绍：北京工业大学
硕士学位论文
预应力索拱结构的优化设计
姓名:魏文豪
申请学位级别:硕士
专业:结构工程
指导教师:张爱林
20070501
摘要关键词:预应力索拱结构是一种新型杂交结构体系,它是一种刚柔相济的混合结构形式,将刚性拱与柔性索有机地结合起来以共同抵抗外荷载的作用,既发挥了高强索的抗拉性能,又充分利用了拱的抗压弯能力。因此具有受力合理、自重轻、承载力高等优点,同时其建筑造型美观大方,在大跨度结构中得到了广泛的应用。对预应力索拱结构的截面尺寸、形状和索力值进行全方面的优化设计可以达到增加结构刚度、提高结构承载力、降低造价的目的,同时又可以丰富预应力索拱结构的理论研究,为预应力索拱结构的工程实践提供理论依据,从而促进此类结构本文主要研究了预应力索拱结构考虑索力值的截面尺寸优化设计和索拓扑已知的结构形状优化设计。在截面优化设计方面,考虑了强度、刚度、尺寸等约束条件,以结构重量最轻为目标函数建立了相应的优化模型。对截面尺寸和索力这两种性质不同的设计变量,采用两级优化的方法处理,对索力的优化以结构在荷载ㄗ灾和预应力共同作用下结构各构件的应力平方和最小为目标函数建立了数学规划模型;对截面尺寸的优化采用浮动应力指数法。算例表明本文方法能有效地克服预应力和截面尺寸这两类变量在数值上和性质上的不统一所造成的不易收敛问题,可以较快地收敛到满意结果。这也是本文预应力索拱结构形状优化设计的基础。在形状优化设计方面,在布索拓扑已知的情况下,给出了相应的优化数学模型,设计变量包括截面尺寸、索预应力和节点坐标。采用分离变量空间的优化方法,将索预应力和截面尺寸作为第一设计空间,采用截面尺寸优化的方法进行优化;将节点坐标作为第二设计空间,采用节点渐进法进行优化。算例表明采用本文形状优化设计方法可以较快地收敛到满意的结果,结构重量不断降低而结构刚度不减,可以得到较优的结构形状。本文方法适合于线弹性、小变形、布索位置已知的预应力索拱结构或预应力索刚架结构的优化设计,可进行此类结构的考虑索力值的截面尺寸和形状优化设计。预应力索拱结构;截面尺寸优化;形状优化;浮动应力指数法;节点渐进法的应用。
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,随着计算技术、新型材料及结构分析理论的不断发展,出现了许多新型结构体系,如可展开折叠结构、开合屋盖结构、张拉整体结构以及各种混合结构体系等,这些不同类型的新结构的产生主要源予以下两种途径:“通过对自然界经过时间和实践优化的结构形式进行仔细观察和分析,总结其特点,再由仿生学的原理模拟出合理的建筑结构形式。目前常用的结构形式很多可以在自然界中找到其雏形。例如自然界的蜘蛛网是典型的张拉悬索结构;蛋壳是以受压方式传递荷载的良好的薄壳结构;还有本世纪年代,美国建筑师富勒提出的张拉整体结构,就是受自然界的“受压的孤岛存在于受拉的海洋”这一自然现象的启发而产生的;德国的甇ǚ试砼菰碛τ玫膜结构的找形上,解决了不少设计问题。所以通过这一途径产生的结构形式可以看作是创造出的新型结构形式。对现有结构形式进行充分的改进和组合,形成不同结构形式的杂交结构和不同材料形式的组合结构,以充分发挥各种结构形式和各种材料的优点,克服缺点,改善整体结构的受力性能的同时,提供新颖的结构造型。例如将斜拉杆加在原有的屋盖结构上而成的斜拉屋盖体系;钢筋混凝土和索组合而成的四川体育馆的新型屋盖形式;盖格开发的“索穹顶结构体系”虽然是受“张拉整体体系”这一概念的启发而提出的,但是该结构实际上是索与膜的杂交体系。所以通过这一途径提出的结构形式是改善的新型杂交或组合结构。预应力索拱结构是源于第二种途径,它属于一种新型的杂交屋盖结构形式,即将拉索和钢结构拱架杂交而成。这种结构充分发挥了拱形结构的受力特点,并充分利用了索材料的高抗拉性能。而且,这种结构通过对其进行构造上的优化,具有了受力合理,运输方便及安装简单快速的优点。
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