大跨度斜拉立体桁架静动力非线性分析

毕业论文大跨度斜拉立体桁架静动力非线性分析专业工程力学学生潘兴华指导教师张京军河北工程大学土木工程学院2010年5月31日河北工程大学土木工程学院毕业毕业论文2010年I摘要本课题对大跨度斜拉立体桁架结构进行静、动力非线性分析，得出各构件对结构整体稳定性的影响。在结构跨度较大的情况下，传统的结构形式越来越难以满足大跨度要求，于是对大跨度结构体系的研究显得尤为必要。由于斜拉结构体系的计算理论大都借鉴斜拉桥结构，悬索结构和塔桅结构等领域的成果，许多方面缺乏系统深入研究，如大跨度结构设计中线性求解结果与非线性求解结果相差多少，非线性到底对哪些构件的影响最大等都是必须解决的问题。大跨度斜拉立体桁架结构跨度大，在外荷载作用下各单元长度、倾角改变大，小变形假定可能已无法度量大变形物体的运动状态。因此，研究大跨度结构设计中是否必须用非线性求解代替线性求解具有重要的理论意义和工程实用价值。关键词：大跨度斜拉立体桁架；静力；非线性单元；稳定河北工程大学土木工程学院毕业毕业论文2010年IIAbstractThistopicpullsthethree-dimensionalgirderconstructiontothegreatspantocarryon,thepowernonlinearanalysiscalmlyslanting,obtainsvariouscomponentstothestructureoverallstableinfluence.Inthestructurespanbigsituation,thetraditionalstructuralstylesatisfiesthegreatspanrequestmoreandmorewithdifficulty,thereforeappearsespeciallyessentialtothegreatspanstructuresystem'sresearch.Becausepullsthestructuresystem'scomputationtheorytoprofitfromthediagonalcablebridgestructuremostlyslanting,thewiresuspensionstructureanddomainandsoontowermaststructureachievements,manyaspectslackthesystemdeepresearch,likeinthegreatspanstructuraldesignthelinearsolutionresultandthemisalignmentsolutionresultdiffershowmany,whichcomponent'sinfluenceisthemisalignmenttobiggestandsoonquestionwhichmustsolve.Thegreatspanpullsthethree-dimensionalgirderconstructionspantobebigslanting,undertheoutsideloadfunctionvariousunitslength,theinclinationanglechangesinabigway,slightlydistortsthehypothesispossiblytobeunabletomeasurethebigdistortionobjectthestateofmotion.Therefore,studiesinthegreatspanstructuraldesignwhethercanusethemisalignmentsolutiontoreplacethelinearsolutiontohavetheimportanttheorysignificanceandtheprojectusevalue.keyword:longspancable-stayedspacetruss;Static;Misalignmentunit;Stable河北工程大学土木工程学院毕业毕业论文2010年III目录0绪论-------------------------------------------------------10.1斜拉结构的发展、应用和研究意义--------------------------------------10.2斜拉结构的研究现状、研究方向----------------------------------------21空间杆和空间梁单元分析-------------------------------------31.1空间杆和空间梁单元的线性刚度矩阵------------------------------------31.2非线性的分类--------------------------------------------------------41.3几何非线性的一般概念-----------------------------------------------41.4空间杆单元的切线刚度矩阵--------------------------------------------61.5空间梁单元的切线刚度矩阵--------------------------------------------91.6本章小结-----------------------------------------------------------122斜拉索单元分析--------------------------------------------122.1斜拉索单元分析方法概述---------------------------------------------122.2斜拉索单元的解析法-------------------------------------------------122.3斜拉索的二力杆分析法----------------------------------------------162.4本章小结----------------------------------------------------------163大跨度斜拉立体桁架的结构形式、受力变形特征----------------163.1结构的合理形式-----------------------------------------------------163.2大跨度斜拉立体桁架的受力变形特点-----------------------------------183.3支座的处理---------------------------------------------------------243.4本章小结----------------------------------------------------------244非线性求解及结果对比分析----------------------------------244.1线性结果与非线性结果对比分析---------------------------------------244.2本章小结-----------------------------------------------------------305全文总结--------------------------------------------------305.1本文研究成果和所得结论--------------------------------------------305.2展望--------------------------------------------------------------31鸣谢--------------------------------------------------------31参考文献----------------------------------------------------32河北工程大学土木工程学院毕业毕业论文2010年1大跨度斜拉立体桁架静动力非线性分析学生潘兴华指导教师张京军河北工程大学土木工程学院工程力学专业0绪论0.1斜拉结构的发展、应用和研究意义人类的追求永无止境，更大、更高、更美、更强、更快是恒久的目标。随着人类物质文明和精神文明的不断进步，人们对空间结构自身的跨越能力及空间造型提出更多更高的要求，而传统单一的结构形式越来越难以满足需要。人们便开始构想将不同类型的基本结构优化组合，这样新颖的结构体系——杂交结构〔组合结构)应运而生。组合结构以一种基本结构的优点弥补另一类基本结构的弱点，它们相互配合、相互补充、相得益彰、造就出更经济、更合理、更美观、跨越度更大的空间。组合结构可从两种途径进行组合，一是刚性结构间的组合，例如拱一桁架体系;二是柔性拉索与刚性结构间的组合;后者更具发展前景。柔性拉索是一种十分灵活的单元体，可用不同的方式与各类刚性结构结合。框架、(空间)桁架、网架、网壳等(为了叙述上的方便，本文将之称为主体结构)，都是重要的结构形式，己得到广泛应用。将拉索与主体结构结合便形成斜拉结，斜拉索上端悬挂在塔柱上，而下端则锚固在主体结构上。因此，斜拉索为主体结构提供空间弹性支点并可使其获得预应力。斜拉结构具有如下优点：(1)充分发挥拉索高强钢材的高强优势；(2)因增加了弹性支点，结构的挠度减小，杆件内力降低；(3)通过张拉拉索可对主体结构建立预加内力和反拱挠度，一部分抵消外荷载作用下的内力[1]。因此，配以斜拉索后，增大了主体结构的强度、刚度和稳定性，可用较小的截面尺寸跨越更大的空间，省钢率可达20～30%。尽管迄今斜拉结构的实际应用尚未像框架、(空间)桁架、网架、网壳等结构那样普遍，但由于其优点，它必然同样具有广阔的应用发展前景。另一方面，新结构形式及其理论、计算方法的研究应超前于社会需求。当今世界挑战与机遇并存，谁能保持思维敏锐、领先潮流、设计出更贴近功能需要、更经济美观、更安全可靠的结构、谁就能最终取胜。优胜劣汰，这就是社会规律铁的法则，亘古不变。其实，从塔柱或桅杆上悬吊斜拉索来支撑主体结构的方法和概念古已有之。18世纪英国工业革命后，英国、德国和法国等国家相继出现了不少斜拉结构一斜拉桥，并由法国建筑师Poyet于1821年首先提出扇形布置拉索方案。但后来斜拉结构发展减缓了，这是因几座斜拉桥的相继倒塌和学者Navier因此偏颇地提出悬索桥更为优越的断言所至，那时以英国为代表的几个国家基本放弃了斜拉结构体系。事实上，倒塌的原因并非斜拉结构体系本身的缺陷，而由于涉及的拉索截面面积偏小且在施工时拉索未被绷紧，因而荷载作用下在主体结构已产生极大变形后斜拉索才开始参与承载[2]。庆幸的是，美国工程师Roebling于19世纪末叶澄清了人们对斜拉结构的误解，亲自设计了几座斜拉桥。进入20世纪尤其是第二次世界大战，斜拉结构终于迎来它河北工程大学土木工程学院毕业毕业论文2010年2快速发展时期，发展的直接动因是新材料特别是高强钢丝高强钢筋及砼的出现，结构计算理论的不断完善和新一轮工业革命浪潮所激发的强劲的社会需求。在此期间，斜拉空间结构像斜拉桥(图0.1)一样在快速发展着，现在设计师秉承传统理念，更发挥天才的想象力、创造力设计了体型新颖、千姿百态的斜拉工程，令人惊讶不己。但后者在实际应用和理论研究方面更趋于系统和完整，以致前者不断吸收和移植后者的相关成果。图0.1斜拉桥实例根据国内外的工程实践和斜拉桥的经验，今后相当长一段时期中，斜拉空间结构跨度70～300m的范围内可发挥其优越性，是经济可行的方案。图0.2布鲁塞尔世界博览会苏联馆图0.3美国加利福尼亚滑冰场0.2斜拉结构的研究现状、研究方向在静力分析方面，肖炽、殷为民[3]分别建立和求解网架结构及塔柱的刚度方程，考虑了结构大位移的影响和拉索