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1、博博 士士 学学 位位 论论 文文 论文题目论文题目 Kiewitt 型索穹顶结构的理论分析和试验研究型索穹顶结构的理论分析和试验研究 作者姓名作者姓名 陈陈 联联 盟盟 指导教师指导教师 董董 石石 麟麟 教授教授 学科学科(专业专业) 结结 构构 工工 程程 所在学院所在学院 建筑工程学院建筑工程学院 提交日期提交日期 2005 年年 5 月月 1 浙江大学浙江大学 申请博士学位论文申请博士学位论文 Kiewitt 型索穹顶结构的理论分析和试验研究型索穹顶结构的理论分析和试验研究 姓姓 名：名： 陈联盟陈联盟 专专 业：业： 结构工程结构工程 指导教师：董石麟指导教师：董石麟 教授教授 浙
2、江大学建筑工程学院空间结构研究中心浙江大学建筑工程学院空间结构研究中心 2005 年年 5 月月 杭州杭州 2 THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF KIEWITT DOMES BY Chen Lianmeng A Dissertation Submitted to the Academic Degree Evaluation Committee of Zhejiang University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY
3、 in Structural Engineering Major Subject: Structural Engineering Advisor: Professor Dong Shilin Institute of Architectural and Civil Engineering Zhejiang University May, 2005 3 浙江大学申请博士学位论文 Kiewitt 型索穹顶结构理论分析和试验研究 Kiewitt 型索穹顶结构的理论分析和试验研究型索穹顶结构的理论分析和试验研究 摘摘 要要 索穹顶结构是一种由拉索和压杆组成、依靠施加预应力提供刚度的柔性体系。目前国际上
4、 现有的索穹顶形式主要有 Geiger 型和 Levy 型两种，代表工程分别为 1988 年汉城奥运会体操 馆和 1996 年亚特兰大奥运会主场馆。本文根据索穹顶结构特性、几何拓扑关系和受力机理提 出了一种网格划分均匀新的索穹顶结构形式Kiewitt 型索穹顶结构，从理论和试验两个方面， 对该新型索穹顶结构的整体自应力模态、合理初始预应力取值、荷载作用下的非线性特性、施 工成形方案和计算方法进行了系统研究和深入分析，最后设计加工一模型进行了试验验证。 首先简单回顾索穹顶结构的发展历史和研究现状， 指出本文研究课题Kiewitt 型索穹顶结 构的选题背景，并明确论文的主要研究内容。 总结分析现有
5、各种求解索杆张力结构初始预应力方法的适用范围及存在的局限性， 充分考 虑结构对称性和整体可行性， 从平衡矩阵理论出发利用奇异值分解法提出了一种旨在求解各种 索杆张力结构体系整体自应力模态的求解方法整体自应力模态综合求解法， 此方法不仅可以 求解 Geiger 型和 Levy 型这类单整体自应力模态的整体自应力模态分布， 而且可以求解 Kiewitt 型索穹顶和空间索桁结构这类多整体自应力模态的整体自应力模态分布。 同时运用节点平衡理 论分析体系的超静定次数，研究发现，考虑结构对称性后结构的超静定次数实质上即等于结构 的整体自应力模态数，而且超静定次数随环索圈数的增加而呈规律性增加。 对 Kie
6、witt 型索穹顶这类具有多个整体自应力模态的索穹顶结构采用非线性规划法、以初 应变能最小为优化目标进行了预应力优化，同时采用齿行法进行了截面优化。研究表明，预应 力优化后的初始预应力分布在特定的荷载工况作用下由于部分索临近松弛而达到极限状态， 截 面优化使体系多数杆件由于截面达到满应力设计状态而达到极限状态。 同时采用非线性有限元 方法、利用不断迭代策略修正了考虑结构自重后的真实初始预应力分布。 采用非线性有限元方法求解结构在对称和非对称荷载作用下的静力响应， 着重跟踪分析了 结构部分索在加载过程中内力逐步减小直至松弛退出工作状态、 而后随着卸载此部分松弛索又 逐步产生力的全过程。同时分析了
7、各类索由于某种原因突然单根退出工作的断索现象，研究表 明，除环索以外的各类索发生断索后都能在局部区域发生内力重分配从而达到新的内力自平 衡，不会造成整个结构的倒塌破坏；而环索一旦出现断索现象则会出现整个结构的倒塌。另外 研究了体系的动力特性，发现 Kiewitt 型索穹顶结构频率分布密集，以整体变形为主的振型体 现了结构良好的整体性能。 索穹顶结构施工成形的研究内容主要包括施工成形方案的探讨及施工过程的模拟跟踪。 本 文认为模拟各施工过程就是寻找各阶段平衡态过程， 首先采用抛物线单元建立已知原长的构件 - I - 浙江大学申请博士学位论文 Kiewitt 型索穹顶结构理论分析和试验研究 变形后
8、节点坐标与构件内力之间的关系，采用动力松弛法控制构件原长进行平衡态的找形分 析，并尝试对由外及里逐圈张拉下斜索、只张拉外圈下斜索、由外及里逐圈调节压杆长度等三 种施工方案进行探讨。研究表明，各施工方案都能成形且获得满意的结果，基于动力松弛法控 制构件原长的找形方法是有效和正确的。 设计加工一直径为 5.0 m 的 Kiewitt 型索穹顶结构模型，通过测试该结构的初始预应力分 布、 模型在多种荷载工况作用下的静力响应及对只张拉外圈斜索和由外及里逐圈调节压杆长度 两种施工方案模拟跟踪。试验表明，试验值与理论值基本符合，试验的设计、加工和整个试验 过程基本能达到预期目标。 最后总结本文主要研究内容
9、及成果，同时指出今后待解决的若干关键问题及研究方向。 关键词关键词：Kiewitt 型索穹顶结构；整体自应力模态；形态分析；预应力优化；截面优化；索 松弛；断索；几何非线性；非线性有限元；动力松弛法；原长；施工方案；模型试验 - II - 浙江大学申请博士学位论文 Kiewitt 型索穹顶结构理论分析和试验研究 THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF KIEWITT DOMES ABSTRACT The cable dome structure is a class of flexible structures which is mainly comp
10、osed of cables in tension and struts in compression and must be prestressed to provide the structural stiffness. The existing two styles of cable domes are Geiger style and Levy style, whose representational projects are 1988s Seoul Olympics stadium and 1996s Atlanta Olympics stadium respectively. B
11、ased on the character, geometry and bearing mechanism of the structure, a new type of cable domes-Kiewitt Dome is proposed and studied by theory and experiment concluding the overall selfstress modes analysis, the prestress optimal design, the nonlinear behavior under the loads and construction anal
12、ysis. At last a model is designed and tested to make sure of the preceding theory. The history and the advance of the cable dome are briefly introduced firstly, the background of this thesis is then pointed out and the main contents are put forward. Followed review of the limitation of existing meth
13、ods for solving the prestress of cable-strut tensile structures a new method is proposed to solve the overall selfstress modes of cable domes by using the method of singular value decomposition on the base of equilibrium matrix theory and considering the symmetry and total feasible of the structure.
14、 This method not only solves the single overall selfstress mode of Geiger and Levy cable domes but also solve the multi overall selfstress modes of Kiewitt cable domes and other space cable-truss structures. At the same time the node equilibrium theory is used to determine the redundant order of the
15、 structure. It shows the number of the overall selfstress modes is equal to the redundant order of the structure after considering the symmetry of the structure and increases regularly with the increase of the hoop number. Taking the minimum initial-strain energy of structure as the objective function, optimal prestress design of structures with multi-overall selfstress modes is investigated by the nonlinear programming algorithm. At the same time optimal section design is carried out by the tooth method. Numerical results show the optim
