张拉式环形内挑顶蓬结构分析研究
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摘要
这些年来，随着体育事业和航空事业的飞速发展，人们需求更大的体育场馆和飞机场，这也促使空间结构向着跨度更大、更经济、结构形式更美观和合理的新型结构方向发展，张拉整体结构就是在这种趋势下发展起来的一种效率极高的结构体系，是目前国际上正在研究和推广并在实际工程中得到应用的一种新型结构体系，代表着当今大跨度空间结构发展的主流方向。张拉整体结构一经问世便得到了许多国家建筑师和结构研究人员的青睐，张拉整体结构体系的理论研究和工程实践在美国、法国、日本、韩国、墨西哥、以色列以及台湾等国和地区有了很大的发展。国内对张拉整体结构的研究和探索始于上个世纪90年代，但还仅停留在对张拉整体结构计算和方法的研究阶段，对张拉整体结构的动力特性、地震反应以及风振反应等方面的研究目前还很少，而且工程应用也尚属空白。因此，本文的工作可以说是在摸索中前进的。
在阅读了大量国内外相关文献资料及国内有关张拉整体结构研究的硕博学位论文的基础上，本文首先回顾并系统总结了张拉整体结构体系的发展历史、国内外研究现状及其在工程实践中的应用情况。概括了张拉整体结构体系的概念、形态及其结构特点和优点，从而完成张拉整体结构的概念性研究。介绍了张拉整体结构的几何非线性增量形式平衡方程及有限元基本方程，推导了两节点索单元的刚度矩阵，介绍了索单元与杆单元的区别和非线性方程组求法的选用以及收敛原则。
其次，依据张拉整体结构体系的思想，本文详细介绍了张拉式环形内挑顶蓬这一新型结构的构成形式及其结构特性。选用ANSYS分析软件对顶蓬结构进行预张拉状态和工作态的静动性能分析与计算，研究了顶蓬结构在竖向荷载作用下的内力、位移力流方向等静力特性以及顶蓬这一新型结构的各构件在不同竖向荷载作用下的内力分布和节点位移情况。研究了空间几何形状、压杆高度、初始预应力、竖向荷载作用等不同参数对顶蓬结构静力特性的影响，并分析顶蓬结构各构件的内力和节点位移在不同参数下的变化情况。
接着，本文采用结构动力学理论以及子空间迭代法对顶蓬结构进行自振特性的有限元分析，弄清顶蓬结构各阶频率及对应的振型以及结构各向刚度分布的情况，掌握了顶蓬结构的基本自振特性。研究初始预应力、体系质量、索截面面积、矢跨比等不同参数对顶蓬结构自振特性的影响，分析了顶蓬结构的频率和对应的振型在不同参数下的变化情况以及其质量和刚度是否匹配的问题。
然后，本文利用空间多维地震振型分解反应谱法研究了顶蓬结构在常遇地震下的抗震性能问题，分析了顶蓬结构各构件的动内力分布规律。讨论和分析振型组合数、地震维数、
昆明理工大学硕士学位论文
摘要
刘永清
索截面面积、体系质量、初始预应力等对顶蓬结构动内力的影响以及结构的动内力和动位
移在不同参数下的变化情况。同时还对振型组合方法进行了比较分析，对其合理性进行探
讨。对张拉式环形内挑顶蓬这一新型结构体系在地震作用下的受力性能作了较深入的研
究，从而得出一些有益于结构设计的结论。
最后，在对张拉式环形内挑顶蓬结构进行系统研究和分析的基础上，对这一新型张拉
整体结构的静动性能作出了评定，并对全文的研究工作进行了总结，对需要改进之处以及
今后须进一步开展的研究工作提出了建议。希望张拉式环形内挑顶蓬结构能够在体育场的
看台顶蓬的工程应用中占有一席之地，更希望本论文能够为张拉整体结构在我国的实现和
广泛推广应用起到一定的促进作用。
In these years,people need the larger stadiums and aecodromes as the quick development of sports undertaking and aviation undertaking,which promotes spatial structures developing toward the larger?economicer and aetheticer neotype structure forms and Tensegrity structure is high efficiency structure System under the tendency of the development.Many national architects and structural researchers are researching extensively the tensegrity structures since they were natal.Theoretical research and engineering experience of tensegrity structure system have had a very large development in the United States?France?Japan?South Korea?Mexico, Taiwan and so on. Internal researchers began to reseach and searched the tensegrity structure system from 1990's,but reseaches still stay in the stage of structural calculation and methods.The reseaches about dynamical peculiarity, seismic response?wind vibrating response and the engineering experience are almost blanking.So the work of this paper feels about analysis of the tens
ile ring-shaped and internal suspended top structure.
Firstly,on the basis of wide-range reading of relevant internal and foreign documentation datums and degree dissertations about the tensegrity structures written by Chinese doctors,this paper looks back and summarize systematically developed history, researching present status and the application about engineering experience of the tensegrity structure.This paper also summarizes conception?shape?structural characteristics and advantages and finishes the conceptual reseach about the tensegrity structure.The finite element equation of of the tensegrity structure is established and the stiffness matrix of two-node cable element is deduced in this paper. The same time distinguishment between the cable element and link cable and the choice about solving means of nonlinear system of equations are introduced.
Secondary,a new style tensile ring-shaped and internal suspended top structure is made and expounded firstly by my tutor in accordance with the thought of tensegrity structure system in this paper.The paper also introduces structural characteristics and making-up forms of the top structure.Initial stress state and work state of the top structure are calculated by use of ANSYS analysing software.It also researches the static characteristics about flowing direction of internal force and displacement of the top structure under the action of vertical loads and knows about internal force distribution and joints displacement of the construction members.The influence on the structural static characteristics under different parameters(these parameters include spatial geometric shape?compression bar height?prestressing force?vertical loads and so on)and the changing condition of internal force and joints displacement under these parameters are researched and analysed.
Subsequently,finite elemnet analysis of autooscillation characteristics of the top structure is analysed by use of structural dynamic theory and subspace method.Structural frequency?corresponding vibration shapes?stiffness distribution and basic autooscillation characteristics of the top structure are ascertained and grasped.The influence on structural autooscillation characteristics of different parameters(these parameters include prestressing force?body system mass?area of cable section and tatio of rise to span)and change condition of frequency and corresponding vibration shapes are researched and analysed.
Then, shock-resistant capability of the top structure is researched by use of the spatial multi earthquake modal response spectrum theory.Dynamic internal force distribution of the construction members? the influence on structural autooscillation characteristics of different parameters(these parameters include modal combinatorial number?load intensity? earthquake dimensions?area of cable section?prestressing force and combinatorial method)and change condition of internal dynamic force and dynamic displacement under these parameters are analysed and discussed.We have a overall acquaintance about
在阅读了大量国内外相关文献资料及国内有关张拉整体结构研究的硕博学位论文的基础上，本文首先回顾并系统总结了张拉整体结构体系的发展历史、国内外研究现状及其在工程实践中的应用情况。概括了张拉整体结构体系的概念、形态及其结构特点和优点，从而完成张拉整体结构的概念性研究。介绍了张拉整体结构的几何非线性增量形式平衡方程及有限元基本方程，推导了两节点索单元的刚度矩阵，介绍了索单元与杆单元的区别和非线性方程组求法的选用以及收敛原则。
其次，依据张拉整体结构体系的思想，本文详细介绍了张拉式环形内挑顶蓬这一新型结构的构成形式及其结构特性。选用ANSYS分析软件对顶蓬结构进行预张拉状态和工作态的静动性能分析与计算，研究了顶蓬结构在竖向荷载作用下的内力、位移力流方向等静力特性以及顶蓬这一新型结构的各构件在不同竖向荷载作用下的内力分布和节点位移情况。研究了空间几何形状、压杆高度、初始预应力、竖向荷载作用等不同参数对顶蓬结构静力特性的影响，并分析顶蓬结构各构件的内力和节点位移在不同参数下的变化情况。
接着，本文采用结构动力学理论以及子空间迭代法对顶蓬结构进行自振特性的有限元分析，弄清顶蓬结构各阶频率及对应的振型以及结构各向刚度分布的情况，掌握了顶蓬结构的基本自振特性。研究初始预应力、体系质量、索截面面积、矢跨比等不同参数对顶蓬结构自振特性的影响，分析了顶蓬结构的频率和对应的振型在不同参数下的变化情况以及其质量和刚度是否匹配的问题。
然后，本文利用空间多维地震振型分解反应谱法研究了顶蓬结构在常遇地震下的抗震性能问题，分析了顶蓬结构各构件的动内力分布规律。讨论和分析振型组合数、地震维数、
昆明理工大学硕士学位论文
摘要
刘永清
索截面面积、体系质量、初始预应力等对顶蓬结构动内力的影响以及结构的动内力和动位
移在不同参数下的变化情况。同时还对振型组合方法进行了比较分析，对其合理性进行探
讨。对张拉式环形内挑顶蓬这一新型结构体系在地震作用下的受力性能作了较深入的研
究，从而得出一些有益于结构设计的结论。
最后，在对张拉式环形内挑顶蓬结构进行系统研究和分析的基础上，对这一新型张拉
整体结构的静动性能作出了评定，并对全文的研究工作进行了总结，对需要改进之处以及
今后须进一步开展的研究工作提出了建议。希望张拉式环形内挑顶蓬结构能够在体育场的
看台顶蓬的工程应用中占有一席之地，更希望本论文能够为张拉整体结构在我国的实现和
广泛推广应用起到一定的促进作用。
In these years,people need the larger stadiums and aecodromes as the quick development of sports undertaking and aviation undertaking,which promotes spatial structures developing toward the larger?economicer and aetheticer neotype structure forms and Tensegrity structure is high efficiency structure System under the tendency of the development.Many national architects and structural researchers are researching extensively the tensegrity structures since they were natal.Theoretical research and engineering experience of tensegrity structure system have had a very large development in the United States?France?Japan?South Korea?Mexico, Taiwan and so on. Internal researchers began to reseach and searched the tensegrity structure system from 1990's,but reseaches still stay in the stage of structural calculation and methods.The reseaches about dynamical peculiarity, seismic response?wind vibrating response and the engineering experience are almost blanking.So the work of this paper feels about analysis of the tens
ile ring-shaped and internal suspended top structure.
Firstly,on the basis of wide-range reading of relevant internal and foreign documentation datums and degree dissertations about the tensegrity structures written by Chinese doctors,this paper looks back and summarize systematically developed history, researching present status and the application about engineering experience of the tensegrity structure.This paper also summarizes conception?shape?structural characteristics and advantages and finishes the conceptual reseach about the tensegrity structure.The finite element equation of of the tensegrity structure is established and the stiffness matrix of two-node cable element is deduced in this paper. The same time distinguishment between the cable element and link cable and the choice about solving means of nonlinear system of equations are introduced.
Secondary,a new style tensile ring-shaped and internal suspended top structure is made and expounded firstly by my tutor in accordance with the thought of tensegrity structure system in this paper.The paper also introduces structural characteristics and making-up forms of the top structure.Initial stress state and work state of the top structure are calculated by use of ANSYS analysing software.It also researches the static characteristics about flowing direction of internal force and displacement of the top structure under the action of vertical loads and knows about internal force distribution and joints displacement of the construction members.The influence on the structural static characteristics under different parameters(these parameters include spatial geometric shape?compression bar height?prestressing force?vertical loads and so on)and the changing condition of internal force and joints displacement under these parameters are researched and analysed.
Subsequently,finite elemnet analysis of autooscillation characteristics of the top structure is analysed by use of structural dynamic theory and subspace method.Structural frequency?corresponding vibration shapes?stiffness distribution and basic autooscillation characteristics of the top structure are ascertained and grasped.The influence on structural autooscillation characteristics of different parameters(these parameters include prestressing force?body system mass?area of cable section and tatio of rise to span)and change condition of frequency and corresponding vibration shapes are researched and analysed.
Then, shock-resistant capability of the top structure is researched by use of the spatial multi earthquake modal response spectrum theory.Dynamic internal force distribution of the construction members? the influence on structural autooscillation characteristics of different parameters(these parameters include modal combinatorial number?load intensity? earthquake dimensions?area of cable section?prestressing force and combinatorial method)and change condition of internal dynamic force and dynamic displacement under these parameters are analysed and discussed.We have a overall acquaintance about
引文
[1] 王斌兵，李燕云，张拉整体体系的统一定义，空间结构，1998，4(4)：10-14
[2] 董智力，于少军，一种索穹顶结构几何特性与稳定性分析，空间结构，1998，4(4)：3—9
[3] 陈志华，王小盾等，张拉整体结构的力密度法找形分析，建筑结构学报，1999，20(5)：29—35
[4] 郭璐，蓝天等，张拉结构的初始几何曲面的确定，第六届空间结构学术会议论文集，1992(12)：586-593
[5] 董智力，何广乾等，张拉整体结构平衡状态的寻找，建筑结构学报，1999，20(5)：24—28
[6] 金峰，王琦，索—桁结构的静力分析及动力特性研究，建筑结构学报，1999，20(3)：2—7
[7] 刘锡良，陈志华，一种新型空间结构——张拉整体体系，土木工程学报，1995，28(4)：52—57
[8] Chen PS,Abe M,Kawaaguchi M,Shape of tensegrity frames having an optimum rigidity. 4th conference on space structure,University of Surrey, UK,Sept.5—10,1993
[9] Levy M,Castro G,Jing TF, Hyper-tensegrity dome,optimal configurations.IASS Symposium, 1991 ;Ⅰ: 125-8
[10] Fuller R.B., Tensile-Integrity Structures, US Patent No. 3063521, Nov. 1962
[11] Emmerich D.G., Constructions de Reseaux Autotendant, Brevetd' invention(French Patent)No.1 377 290, Sep. 1964
[12] A.Hanaor, M.K.Liao, Double-layer Tensegrity Grid:Static Load Response, Ⅰ:Analytic Study, J.Structural Engrg, 1991,117(6): 1660-1674
[13] Motro R,Tensegrity Systems, The States of the Art.Space Structures, 1992, 7(2): 75-81
[14] D.H.Geiger.A Cost Comparision of Roof Systems for Sport Halls. I.A.S.S Bulletin,No.96,1988,9-23
[15] Birdair Company.Seminar for Tensioned Membrane Structure, Nov,1998
[16] 唐建民，沈祖炎，索穹顶结构的静力性状分析，空间结构，1998，4(3)：17—25
[17] 曹喜，刘锡良，整体张拉结构的预应力优化设计，空间结构，1998，4(1)：32-35
[18] 唐建民，索穹顶体系的结构理论研究：[博士学位论文]．上海：同济大学图书馆，1996
[19] 刘开国，拉索穹顶结构在轴对称荷载作用下的计算，建筑结构学报，1993，14(5)：
[20] 唐建民，钱若军等，索穹顶结构非线性有限元分析，空间结构，1996，2(1)：12—17
[21] 钱若军，沈祖炎等，索穹顶结构，空间结构，1995，1(3)：1—7
[22] 陈志华，刘锡良，张拉整体体系与多面体几何，空间结构，1995，1(3)：8—13
[23] 黄呈伟，邓宜等，索穹顶结构模型试验研究，空间结构，1999，5(3)：40—46
[24] 唐建民，柔性结构非线性分析的杆单元有限元法，中南工学院学报，1996，
[25] 赵晖，整体预应力板(梁)柱体系抗震能力研究：[硕士学位论文]．昆明：昆明理工大学图书馆，2002
[26] 郑君华，索穹顶结构的理论分析与设计计算：[硕士学位论文]．昆明：昆明理工大学图书馆，2003
[27] 董石麟，钱若军，空间网格结构分析理论与计算方法，北京，中国建筑工业出版社，2000
[28] 张其林，索和膜结构，上海，同济大学出版社，2002
[29] 赵云航，张拉整体结构的非线性：[硕士学位论文]．北京：北方交通大学图书馆，1996
[30] 沈世钊，徐崇宝等，悬索结构设计，北京，中国建筑工业出版社，1997
[31] 舒赣平，范圣刚等，悬索及悬索—框架结构的几何非线性分析，工业建筑，2002，32(5)：5—10
[32] 博嘉科技，有限元分析软件——ANSYS融会与贯通，中国水利水电出版社，2002
[33] 张志宏，董石麟，空间结构分析中动力松弛法若干问题的探讨，建筑结构学报，2002，23(6)：79—84
[34] 龚景海，邱国志，空间结构计算机辅助设计，北京，中国建筑工业出版社，2002
[35] 袁伟斌，索穹顶的节点设计及动力特性分析：[硕士学位论文]．昆明：昆明理工大学图书馆，2002
[36] 黄呈伟，拉索穹顶屋盖结构计算分析，昆明理工大学学报，1998，23(1)：1—5
[37] 黄呈伟，索穹顶结构的预张成形分析，面向21世纪的空间结构发展战略，中国钢结构学会，空间结构学会，1999：188—193
[38] 黄呈伟，索穹顶结构及其应用展望，云南建筑，1999(4)：32—34
[39] 黄呈伟，陶燕等，索穹顶结构的施工张拉及其模拟计算，昆明理工大学学报，2000，25(1)：15—19
[40] 周岱，斜拉网格结构的非线性静力、动力和地震分析：[博士学位论文]．杭州：浙江大学图书馆，1997
[41] 钱若军，董明等，索穹顶结构的特性及分析，建筑结构学报，1998，19(2)：23—29
[42] 吕和祥，奖和洋，非线性有限元，北京：化学工业出版社，1992
[43] 沈祖炎，严慧等，空间网架结构，贵阳：贵州人民出版社，1987
[44] 沈世钊，大跨空间结构的发展——回顾与展望，土木工程学报，1998，3(3)：5—14
[45] 沈世钊，现代空间结构的新发展，现代土木工程的新发展，南京：东南大学出版社，1998
[46] 蓝天，空间结构的十年——从中国看世界，第六届空间结构学术会议论文集(广州)，1992
[47] 蓝天，膜结构的发展及其在中国的应用前景，第八届空间结构学术会议论文集(开封)，1997
[48] 刘锡良，空间结构世界发展水平，工程力学增刊，1994
[49] 钱若军，沈祖炎等，结构概念及全张力体系的工作机理，空间结构，1996，2(3)：2—7
[50] 马立明，沈祖炎等，大跨度空间的新形式——张拉整体穹顶结构，同济大学学报，1995，23(2)：231—235
[51] 刘永清，黄呈伟，索穹顶结构的计算分析和节点与构件控制，淮阴工学院学报，2003，12(1)：41—44
[52] 刘永清，黄呈伟等，索穹顶结构的有限元法分析和张拉施工方法，昆明理工大学学报，2003，28(4)：79—82
[53] 夏绍华，董明等，全张力、张力集成体系的基本概况，空间结构，1997，3(2)：3—9
[54] 刘永清，黄呈伟等，张拉式环形内挑顶蓬结构的构想及其初步理论分析，昆明理工大学学报(2003年昆明理工大学研究生学术交流年会论文集)，2003，28(增刊)：371—376
[55] 黄呈伟，张拉式环形蓬盖的形态与结构分析，第九届空间结构学术会议论文集(杭州)，2000
[56] 陈维键，索桁预应力穹顶结构静动力性能研究：[硕士学位论文]．杭州，浙江大学图书馆，2002
[57] 徐植信，胡再龙，结构地震反应分析，北京，高等教育出版社，1993
[58] Cheng-wei Huang.etc,Form-finding and tension control of cable dome structure,IASS-IACM2000,forth international colloquium on computation of shell & spatial structures.June 4-7,2000,Chania-Crete,Greece
[2] 董智力，于少军，一种索穹顶结构几何特性与稳定性分析，空间结构，1998，4(4)：3—9
[3] 陈志华，王小盾等，张拉整体结构的力密度法找形分析，建筑结构学报，1999，20(5)：29—35
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[6] 金峰，王琦，索—桁结构的静力分析及动力特性研究，建筑结构学报，1999，20(3)：2—7
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[10] Fuller R.B., Tensile-Integrity Structures, US Patent No. 3063521, Nov. 1962
[11] Emmerich D.G., Constructions de Reseaux Autotendant, Brevetd' invention(French Patent)No.1 377 290, Sep. 1964
[12] A.Hanaor, M.K.Liao, Double-layer Tensegrity Grid:Static Load Response, Ⅰ:Analytic Study, J.Structural Engrg, 1991,117(6): 1660-1674
[13] Motro R,Tensegrity Systems, The States of the Art.Space Structures, 1992, 7(2): 75-81
[14] D.H.Geiger.A Cost Comparision of Roof Systems for Sport Halls. I.A.S.S Bulletin,No.96,1988,9-23
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[16] 唐建民，沈祖炎，索穹顶结构的静力性状分析，空间结构，1998，4(3)：17—25
[17] 曹喜，刘锡良，整体张拉结构的预应力优化设计，空间结构，1998，4(1)：32-35
[18] 唐建民，索穹顶体系的结构理论研究：[博士学位论文]．上海：同济大学图书馆，1996
[19] 刘开国，拉索穹顶结构在轴对称荷载作用下的计算，建筑结构学报，1993，14(5)：
[20] 唐建民，钱若军等，索穹顶结构非线性有限元分析，空间结构，1996，2(1)：12—17
[21] 钱若军，沈祖炎等，索穹顶结构，空间结构，1995，1(3)：1—7
[22] 陈志华，刘锡良，张拉整体体系与多面体几何，空间结构，1995，1(3)：8—13
[23] 黄呈伟，邓宜等，索穹顶结构模型试验研究，空间结构，1999，5(3)：40—46
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[26] 郑君华，索穹顶结构的理论分析与设计计算：[硕士学位论文]．昆明：昆明理工大学图书馆，2003
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[28] 张其林，索和膜结构，上海，同济大学出版社，2002
[29] 赵云航，张拉整体结构的非线性：[硕士学位论文]．北京：北方交通大学图书馆，1996
[30] 沈世钊，徐崇宝等，悬索结构设计，北京，中国建筑工业出版社，1997
[31] 舒赣平，范圣刚等，悬索及悬索—框架结构的几何非线性分析，工业建筑，2002，32(5)：5—10
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[39] 黄呈伟，陶燕等，索穹顶结构的施工张拉及其模拟计算，昆明理工大学学报，2000，25(1)：15—19
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[44] 沈世钊，大跨空间结构的发展——回顾与展望，土木工程学报，1998，3(3)：5—14
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[46] 蓝天，空间结构的十年——从中国看世界，第六届空间结构学术会议论文集(广州)，1992
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[52] 刘永清，黄呈伟等，索穹顶结构的有限元法分析和张拉施工方法，昆明理工大学学报，2003，28(4)：79—82
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[54] 刘永清，黄呈伟等，张拉式环形内挑顶蓬结构的构想及其初步理论分析，昆明理工大学学报(2003年昆明理工大学研究生学术交流年会论文集)，2003，28(增刊)：371—376
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[58] Cheng-wei Huang.etc,Form-finding and tension control of cable dome structure,IASS-IACM2000,forth international colloquium on computation of shell & spatial structures.June 4-7,2000,Chania-Crete,Greece