索支撑空间网格结构形态分析及稳定性能研究.pdf
摘要
摘要
现阶段高强预应力拉索在大跨度空间结构领域中的应用越来越多，如弦支
穹顶、索穹顶等新型结构体系不断涌现。其中网格规整、便于标准化建造的索
支撑空间网格结构逐渐得到了建筑师们的青睐，并在国外完成了若干个工程应
用。然而目前对于索支撑空间网格结构的形态分析理论、索力优化方法、稳定
性分析方法仍缺乏系统深入的研究，极大地限制了此类结构体系在建筑工程领
域中的广泛应用。
为此本文充分考虑网壳与拉索间的协同作用，构建了多种轻质高强、经济
合理的新型索支撑空间网格结构形式。针对结构中索单元数量多、索力不连续
的特点，提出了适用的形态分析方法与索力优化方法，可有效实现结构初始设
计形态并提高其力学性能。并在综合考虑初始几何缺陷、索力缺陷以及节点刚
度缺陷的基础上，结合数值分析与试验研究，建立了实用可靠的稳定性分析方
法。本文的主要研究工作如下：
1、新型索支撑空间网格结构体系创构与性能评价方法研究。基于单层空
间网格结构与索支撑系统的整体结合方法，研究了结构几何形状、网格划分方
式、拉索布置形式对结构受力性能的影响，揭示了空间网格结构与索撑系统协
同工作的力学机理，从结构刚度、极限承载力、拉索使用效率等角度出发，建
立了结构综合性能的多属性评价方法，为索支撑空间网格结构选型提供定量化
的参考标准，从而实现结构体系的合理设计。
2、多自内力模态索支撑空间网格结构的形态分析与索力优化研究。基于
平衡矩阵的分块化处理与超定自平衡方程组的最小二乘解，提出了适用于索支
撑空间网格结构的形态分析方法，可快速实现多自内力模态结构的初始设计形
态。并在此基础上，分别以拉索松弛系数和最大杆端弯矩为目标，建立了初始
索力的多目标优化模型，并利用基于混合进化算法的降维求解策略，有效改善
了结构的稳定性能，使结构承载力提高20%以上。
3、索支撑空间网格结构多重初始缺陷模拟方法研究。根据结构的受力特
点，提出了可考虑初应力与索松弛影响的特征值屈曲分析方法，获得了修正的
结构最低阶屈曲模态，并由此确定了初始几何缺陷的最不利分布形式。在此基
础上，分别通过几何缺陷模态的等效与映射，可进一步获得初始索力缺陷与初
始节点刚度缺陷的最不利分布模式。且通过与大量随机缺陷算例的承载力结果
进行对比，验证了本文多重最不利缺陷模拟方法的可靠性。
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哈尔滨工业大学工学博士学位论文
4、考虑多缺陷耦合影响的结构稳定性全过程分析方法研究。在结构形态
分析与最不利缺陷模拟的基础上，建立了可考虑多重初始缺陷耦合影响的稳定
性分析方法，从而考察了节点位置误差、杆件初弯曲、索力张拉偏差以及节点
刚度损失等同时存在对索支撑空间网格结构稳定性能的不利影响，总结了结构
极限承载力随缺陷幅值的变化规律，建议四边支承的柱面结构极限承载力折减
系数取0.568至0.642。
5、索支撑空间网格结构张拉成形与静力稳定性能试验研究。针对面外布
索的椭圆抛物面形结构形式，设计了相应的模型试件以及可进行多点同步加载
的试验装置，由此开展了不同初始索力方案下的张拉成形试验与静力稳定性能
试验，考察了该结构体系的张拉成形过程、均布荷载作用下的静力响应、结构
的失稳破坏模式以及对初始缺陷的敏感性，并通过与数值模拟结果的对比，验
证了本文稳定性分析方法的正确性。
关键词：索撑网壳；形态分析；索力优化；初始缺陷；稳定性分析；静力试验
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Abstract
Abstract
Atpresent,withtheextensiveuseofhigh-strengthprestressedcablesinlong-
spanspacestructures,newstructuresystemssuchassuspen-domesandcable
domesareemerging.Among