自由曲面單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法研究.pdf

1、單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)由于受力較合理、跨越能力大、安裝方便、形式自由、造型美觀,在空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但曲面形狀多為常規(guī)解析曲面(柱面,球面,雙曲拋物面等),即使現(xiàn)在形式更為自由的曲面網(wǎng)殼得到部分應(yīng)用,也僅僅是建筑師追求的外型上的自由。目前所采用的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形狀對(duì)初始幾何缺陷比較敏感,且超越一定跨度后,其剛度和承載力難以滿足設(shè)計(jì)要求。單層曲面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)是一種“形狀抵抗型”結(jié)構(gòu),如何創(chuàng)構(gòu)出“輕而剛”的、自由、靈活的具有良好穩(wěn)定性能的單層網(wǎng)

2、殼結(jié)構(gòu)形狀,是目前需要解決的問(wèn)題。建筑結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì),要求既保證足夠的剛度,又要保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的剛度和力學(xué)性能的穩(wěn)定性可以由荷載作用下所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能大小與應(yīng)變能敏感度來(lái)評(píng)價(jià)。應(yīng)變能越小,結(jié)構(gòu)剛度越大;應(yīng)變能敏感度越小,結(jié)點(diǎn)偏差帶來(lái)的力學(xué)性能的穩(wěn)定性變化越小。
　　文中推導(dǎo)了單元?jiǎng)偠染仃噷?duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的微分以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的微分,得到了結(jié)構(gòu)應(yīng)變能對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的敏感度,闡述了非均勻有理B樣條的基本原理和在初始形

3、狀創(chuàng)建過(guò)程中的應(yīng)用方法;建立了單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法,它是利用有限單元法,計(jì)算關(guān)于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變能對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的敏感度,并利用應(yīng)變能敏感度的性質(zhì)逐步修正節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量,最后使結(jié)構(gòu)趨向達(dá)到應(yīng)變能最小的合理形態(tài)。文中還以不同支座約束條件和不同荷載條件下的單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)作為算例,考察了進(jìn)化過(guò)程的形狀和力學(xué)性能的變化規(guī)律,總結(jié)了該方法的特點(diǎn)。
　　針對(duì)建筑方案設(shè)計(jì)階段可能存在的需求,探討了不同空間條件和初始形狀下的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)過(guò)程,創(chuàng)構(gòu)出多

4、種自由、靈活的“輕而剛”的合理形狀。文中還進(jìn)行了對(duì)常規(guī)曲面(柱面、球面、雙曲拋物面)結(jié)構(gòu)形態(tài)的修正,比較了極限承載力和初始缺陷的敏感程度。
　　本文提出的方法雖然以應(yīng)變能作為目標(biāo)進(jìn)行操作,但進(jìn)化過(guò)程中結(jié)構(gòu)不僅得到了剛度的增大,極限承載力也得到了明顯的提高。隨著進(jìn)化,應(yīng)變能敏感度逐步減少,收斂階段接近零,降低了結(jié)點(diǎn)偏差對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能帶來(lái)的影響,有效改善了對(duì)初始幾何缺陷的敏感程度。利用該方法不僅可以得出多種自由曲面,而且可以在建筑師所