大矢跨比球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計及建筑節(jié)能方案.pdf

1、近年來，隨著科技展廳、球幕影院等場館不斷興建，超半球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)受到了一些建筑設(shè)計師和結(jié)構(gòu)工程師的關(guān)注，因其具有網(wǎng)格劃分自由、受力均勻合理、重量輕剛度大等優(yōu)點，越來越多地被應(yīng)用到實際工程中。
　　本文以大矢跨比穹頂網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)為研究對象，借助有限元軟件ANSYS進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和穩(wěn)定性分析，運用Fortran語言編制形狀優(yōu)化程序，具體的研究內(nèi)容包括:
　　(1)根據(jù)球面網(wǎng)殼節(jié)點坐標(biāo)和桿件連接的基本形式，應(yīng)用APDL語言對肋環(huán)型、施威德

2、勒型、聯(lián)方型、凱威特型、短程線型五種大矢跨比球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，分析了均布荷載下超半球網(wǎng)殼整體結(jié)構(gòu)與各類桿件的受力特性，以及半球心角、環(huán)向區(qū)域份數(shù)和徑向節(jié)點圈數(shù)對結(jié)構(gòu)整體靜力性能的影響。
　　(2)根據(jù)余弦定理和空間兩點間距離公式建立了結(jié)構(gòu)宏觀參數(shù)（包括球半徑R、半球心角α、徑向節(jié)點圈數(shù)nx、環(huán)向區(qū)域份數(shù)kn）和微觀參數(shù)（包括各類桿件長度及桿件之間的夾角）之間的數(shù)學(xué)模型，通過給出桿件長度范圍來控制結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格參數(shù)，為該類網(wǎng)殼的

3、組合設(shè)計提供數(shù)學(xué)參考。
　　(3)對肋環(huán)型、聯(lián)方型、凱威特型、短程線型四類大矢跨比球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)運用離散變量序列兩級優(yōu)化算法進(jìn)行形狀優(yōu)化設(shè)計，以結(jié)構(gòu)總耗鋼量為目標(biāo)函數(shù)，考慮桿件、節(jié)點和整體結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性等約束條件，通過分析數(shù)百個形狀優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，得到半球心角α、環(huán)向區(qū)域份數(shù)kn、徑向節(jié)點圈數(shù)nx和網(wǎng)格劃分形式對結(jié)構(gòu)總耗鋼量的影響，為工程實際提供設(shè)計參考。
　　(4)以肋環(huán)型為例對大矢跨比球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈曲分析，獲

4、取結(jié)構(gòu)前六階特征值和屈曲模態(tài)，得到不同球心角下結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)的臨界荷載;采用“一致缺陷模態(tài)法”對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)的荷載-位移響應(yīng)曲線和考慮初始缺陷的極限荷載，研究結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)對整體穩(wěn)定性能的影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
　　(5)球幕影院和天象館是該類大矢跨比球網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最廣泛應(yīng)用，在實際場館中舒適性和建筑節(jié)能同樣重要。基于GAMBIT軟件建立球幕影院內(nèi)部的簡化模型，通過計算流體力學(xué)軟件FLUENT對球幕影院在新型節(jié)能