充气式张弦桁架基本力学性能研究

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充气式张弦桁架是在Tensairity结构体系研究基础上衍生出的一种大跨度空间结构。其主要由三部分组成,即桁架、充气气囊、拉索,是一种新型的混合结构。此种结构利用气囊充气即可对结构建立一定的预应力,再进行拉索补张拉而形成初始预应力;充气气囊为桁架提供连续的弹性支撑,改善了桁架受力性能,并避免了张弦桁架中的撑杆稳定问题;充分发挥了桁架、气囊、拉索各部分构件的材料优势;其受力明确,是一种自平衡的结构,兼具刚性、柔性结构优点,具有广泛的应用前景。  本文主要以有限元软件Abaqus为分析工具,以Rhino-Grasshopper辅助建模,建立了充气式张弦桁架的精准化有限元模型,完成了结构自零态到初始态、再到荷载态的全过程数值分析。  理论方面推导了弹性支撑的简支梁、固端梁力学响应解析解,分析了温克尔弹性支撑对梁受力性能的改善。重点研究了60m跨度、跨径比为10的纺锤形和圆柱形气囊充气式张弦桁架由零态到初始态的变形和内力、由初始态到三种工况下的荷载态的挠度及内力分布等静力性能,获得了纺锤形气囊结构的极限承载力与极限状态。  针对60m跨度纺锤形和圆柱形气囊的充气式张弦桁架进行了系统的参数分析。通过对纺锤形气囊充气式张弦桁架进行跨径比、充气内压、拉索补张拉、桁架矢高与拉索垂距、桁架截面高度等参数的对比分析,总结结构参数变化对结构静力性能的影响规律。通过对圆柱形气囊充气式张弦桁架进行跨径比、充气内压、拉索截面面积、桁架截面高度等参数的对比分析,总结结构参数变化对结构静力性能的影响规律。静力性能主要包括初始态与荷载态的变形与挠度,桁架最大应力及主弦杆的最大轴力、膜材最大应力、拉索索力,及结构的极限承载力。结构的参数影响分析结论,可对结构设计或制造提供有利的参考。
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