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内容提要 叉筒网壳结构是由若干组柱面网壳相贯而成的具有独特建筑造型的结构体系。传统的叉筒网壳结构变形和应力较为集中，对支座的水平推力较大，这些问题极大地限制了其工程应用。为了改善叉筒网壳结构的受力性能，发挥叉筒网壳结构体系的造型特点，本书首次提出了弦支叉筒网壳结构体系的概念，给出了该体系的形式与分类，并探讨了对叉筒网壳结构施加预应力的布索形式及其在平面内的组合扩展；其次，分别以谷线式弦支叉筒网壳和脊线式弦支叉筒网壳两种结构为研究对象，从静动力性能、稳定性能分别进行了全面的理论分析；然后结合新兴的向量式有限元方法进行了弦支叉筒网壳结构静力及断索失效分析；最后通过对一个八边形谷线式弦支叉筒网壳结构的模型试验对理论分析结果进行了验证。 本书可供空间结构领域的科研人员、研究生或高年级本科生作为学习和科研的参考书，也可供工程设计人员在工作中参考。 序 作为社会经济发展的支柱性产业，土木工程是我国提升人居环境、改善交通条件、发展公共事业、扩大生产规模、促进商业发展、提升城市竞争力、开发和改造自然的基础性行业。随着社会的发展和科技的进步，基础设施的规模、功能、造型和相应的建筑技术越来越大型化、复杂化和多样化，对土木工程结构设计理论与建造技术提出了新的挑战。尤其经过三十多年的改革开放和创新发展，在土木工程基础理论、设计方法、建造技术及工程应用方面，均取得了卓越成就，特别是进入21世纪以来，在高层、大跨、超长、重载等建筑结构方面成绩尤其惊人，国家体育场馆、人民日报社新楼以及京沪高铁、东海大桥、珠港澳桥隧工程等高难度项目的建设更把技术革新推到了科研工作的前沿。未来，土木工程领域中仍将有许多课题和难题出现，需要我们探讨和攻克。 另一方面，环境问题特别是气候变异的影响将越来越受到重视，全球性的人口增长以及城镇化建设要求广泛采用可持续发展理念来实现节能减排。在可持续发展的国际大背景下，“高能耗”“短寿命”的行业性弊病成为国内土木界面临的最严峻的问题，土木工程行业的技术进步已成为建设资源节约型、环境友好型社会的迫切需求。以利用预应力技术来实现节能减排为例，预应力的实现是以使用高强高性能材料为基础的，其中，高强预应力钢筋的强度是建筑用普通钢筋的3~4倍以上，而单位能耗只是略有增加；高性能混凝土比普通混凝土的强度高1倍以上甚至更多，而单位能耗相差不大；使用预应力技术，则可以节省混凝土和钢材20％~30％，随着高强钢筋、高强等级混凝土使用比例的增加，碳排放量将相应减少。 东南大学土木工程学科于1923年由时任国立东南大学首任工科主任的茅以升先生等人首倡成立。在茅以升、金宝桢、徐百川、梁治明、刘树勋、方福森、胡乾善、唐念慈、鲍恩湛、丁大钧、蒋永生等著名专家学者为代表的历代东大土木人的不懈努力下，土木工程系迅速壮大。如今，东南大学的土木工程学科以土木工程学院为主，交通学院、材料科学与工程学院以及能源与环境学院参与共同建设，目前拥有4位院士、6位国家千人计划特聘专家和4位国家青年千人计划入选者、7位长江学者和国家杰出青年基金获得者、2位国家级教学名师；科研成果获国家技术发明奖4项，国家科技进步奖20余项，在教育部学位与研究生教育发展中心主持的2012年全国学科评估排名中，土木工程位列全国第三。 近年来，东南大学土木工程学院特别注重青年教师的培养和发展，吸引了一批海外知名大学博士毕业青年才俊的加入，8人入选教育部新世纪优秀人才，8人在35岁前晋升教授或博导，有12位40岁以下年轻教师在近5年内留学海外1年以上。不远的将来，这些青年学者们将会成为我国土木工程行业的中坚力量。 时逢东南大学土木工程学科创建暨土木工程系（学院）成立90周年，东南大学土木工程学院组织出版《东南土木青年教师科研论丛》，将本学院青年教师在工程结构基本理论、新材料、新型结构体系、结构防灾减灾性能、工程管理等方面的最新研究成果及时整理出版。本丛书的出版，得益于东南大学出版社的大力支持，尤其是丁丁编辑的帮助，我们很感谢他们对出版年轻学者学术著作的热心扶持。最后，我们希望本丛书的出版对我国土木工程行业的发展与技术进步起到一定的推动作用，同时，希望丛书的编写者们继续努力，并挑起东大土木未来发展的重担。 东南大学土木工程学院领导让我为本丛书作序，我在《东南土木青年教师科研论丛》中写了上面这些话，算作序。 中国工程院院士： 弦支叉筒网壳结构体系研究前 言前 言 空间结构作为一种新兴的结构体系，其受力合理，结构形式多种多样，经典的空间结构工程往往成为建筑美学与力学的集中体现。近年来，国内外各类大型空间结构工程已经成为当地的地标性建筑。世界各国都十分注重大跨度空间结构的理论研究与工程实践，其应用范围不断扩展，常见的有体育场馆、展览馆、航站楼、火车站房等。其中，网壳结构以其优美的建筑造型，简洁合理的结构形式成为近代空间结构较普遍被利用的结构形式之一。本书探讨了一种新型的预应力网壳结构，通过对该结构体系力学性能的分析论证了其合理性，并简要地介绍了对模型试验的情况。 本书是在董石麟院士的悉心指导下完成的，在浙江大学空间结构研究中心长达四年的求学过程中，恩师给予了大量的指导。恩师渊博的学识、创新的精神、严谨的学风、虚怀若谷的品格给学生留下了深刻的印象，学生将始终以恩师为榜样，努力工作、学习。 限于作者的水平与经验，书中可能尚有不妥之处，敬请读者指正。 朱明亮 2015年1月于东南大学南京四牌楼校区 目 录 第1章绪论1 1.1空间结构概述1 1.1.1空间结构的发展1 1.1.2空间结构的分类7 1.1.3空间结构在国内的应用和发展8 1.2弦支穹顶结构的应用与研究现状10 1.2.1弦支穹顶结构的形式与分类10 1.2.2弦支穹顶结构的力学性能及施工分析11 1.2.3弦支穹顶结构的试验研究12 1.3空间结构分析方法概述12 1.4本书研究背景13 1.5本书主要研究内容14第2章弦支叉筒网壳结构体系的形式与分类16 2.1引言16 2.2弦支叉筒网壳结构体系的形式与分类17 2.2.1按网格划分形式分类17 2.2.2按叉筒网壳类型分类19 2.2.3按叉筒网壳层数分类20 2.2.4按平面投影形状分类21 2.2.5按布索形式分类22 2.3预应力叉筒网壳结构布索形式的探讨22 2.3.1拉索式布置22 2.3.2张弦式布置23 2.3.3弦支式布置24 2.3.4混合式布置24 2.4预应力叉筒网壳结构形式的推广24 2.5本章小结26第3章弦支叉筒网壳结构的静动力性能研究27 3.1引言27 3.2谷线式弦支叉筒网壳结构静力性能分析27 3.2.1计算模型27 3.2.2预应力设计28 3.2.3全跨均布荷载作用下的静力性能29 3.3参数分析31 3.3.1预应力水平31 3.3.2上部网壳杆件截面33 3.3.3竖杆长度35 3.3.4矢跨比37 3.3.5倾角39 3.4脊线式弦支叉筒网壳结构静力性能分析41 3.4.1计算模型41 3.4.2预应力设计41 3.4.3全跨均布荷载作用下的静力性能42 3.5谷线式弦支叉筒网壳结构动力特性分析43 3.5.1基本原理43 3.5.2自振特性44 3.5.3参数分析47 3.6脊线式弦支叉筒网壳结构动力特性分析49 3.7几种弦支结构静力性能的比较52 3.8本章小结53第4章弦支叉筒网壳结构的稳定性能研究54 4.1引言54 4.2基本理论54 4.3谷线式弦支叉筒网壳非线性屈曲分析55 4.4参数分析57 4.4.1预应力水平的影响57 4.4.2杆件截面的影响58 4.4.3竖杆长度的影响59 4.4.4矢跨比的影响60 4.4.5倾角的影响60 4.5材料非线性的影响62 4.6脊线式弦支叉筒网壳非线性屈曲分析63 4.7初始缺陷的影响64 4.7.1缺陷大小64 4.7.2缺陷分布65 4.8几种弦支结构稳定性能的比较67 4.9本章小结68第5章向量式有限元概述及其索单元69 5.1引言69 5.2向量式有限元基本原理70 5.2.1基本概念70 5.2.2控制方程式72 5.2.3等效质量及等效质量惯性矩73 5.2.4静态求解方法74 5.2.5分析流程74 5.3杆单元75 5.3.1杆单元内力75 5.3.2算例76 5.4索单元78 5.4.1直线索单元78 5.4.2曲线索单元79 5.4.3算例81 5.5向量式有限元在弦支叉筒网壳结构静力分析中的应用82 5.5.1空间梁单元82 5.5.2弦支叉筒网壳结构静力分析83 5.6本章小结85第6章基于向量式有限元的断索失效全过程分析87 6.1引言87 6.2弹塑性向量式有限元模型的建立88 6.2.1材料弹塑性模型88 6.2.2断裂行为89 6.2.3算例90 6.3弦支叉筒网壳断索全过程分析91 6.3.1基本模型92 6.3.2XS1破断93 6.3.3HS1破断96 6.3.4XS2破断99 6.3.5HS2破断102 6.3.6XS3破断105 6.3.7HS3破断108 6.4弦支叉筒网壳二次防御能力评估111 6.5本章小结112第7章弦支叉筒网壳结构模型试验研究113 7.1引言113 7.2试验模型设计与制作113 7.2.1支承平台设计113 7.2.2支座节点设计114 7.2.3叉筒网壳杆件设计115 7.2.4索杆体系设计115 7.3加载及测试方案117 7.3.1加载方案设计117 7.3.2测试方案119 7.3.3材料特性测试120 7.4弦支叉筒网壳结构模型静力加载试验120 7.4.1弦支叉筒网壳结构模型张拉成形120 7.4.2满跨静力加载122 7.4.3半跨静力加载124 7.4.4断索（杆）分析127 7.5结论128第8章结论与展望129 8.1结论129 8.2展望131参考文献132 |
