【摘 要】
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本文指出了现有关于索穹顶结构动力特性与动力响应研究的有限元方法中存在的不足之处,针对此问题给出了一种可以使有限元模拟更加接近实际情况的拉索等效模型,并对其合理性与有效性进行了论证。之后再利用此拉索等效模型代替传统算法中模拟拉索使用的杆单元,对参考文献中的一Levy型索穹顶进行建模。分别计算并对比分析了相同条件下考虑或不考虑拉索耦合振动时的结构动力特性差异和结构有限元模型在地震波激励下动力响应的差异
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本文指出了现有关于索穹顶结构动力特性与动力响应研究的有限元方法中存在的不足之处,针对此问题给出了一种可以使有限元模拟更加接近实际情况的拉索等效模型,并对其合理性与有效性进行了论证。之后再利用此拉索等效模型代替传统算法中模拟拉索使用的杆单元,对参考文献中的一Levy型索穹顶进行建模。分别计算并对比分析了相同条件下考虑或不考虑拉索耦合振动时的结构动力特性差异和结构有限元模型在地震波激励下动力响应的差异。此差异即可近似地认为是采用传统拉索模拟方法不考虑拉索自身动力特性影响时,有限元计算结果与实际建筑结构的真实动力特性、真实地震响应之间的差异。最后进行地震作用下结构动力响应的变参数分析,尝试找出此差异随某些参数改变而变化的规律。本文主要内容及成果如下:1)本文使用梁单元(BEAM188)对索穹顶结构中的拉索进行模拟,并利用矩阵单元(MATRIX27)与杆单元(LINK180)在拉索的梁模型两端构造一等效的单向传力连接结点,使得有限元软件中拉索等效模型的各项静、动力学特性更加接近实际情况。2)验证了本文提出的拉索等效模型不仅可以很好地模拟出拉索的动力特性和动力荷载激励下的动力响应,还可以准确地实现拉索在受到压力作用时自动退出工作这一特点。与参考文献中的试验实测值进行对照可知此拉索等效模型相对传统计算方法可以获得更加贴合实际的计算结果。3)在ANSYS软件中使用该拉索等效力学模型建立一Levy型索穹顶结构的有限元模型,对其进行了模态分析,并将考虑拉索耦合振动时的模态计算结果与传统的使用二力杆单元对拉索进行模拟而计算出的模态结果进行对比。结果表明了不考虑拉索耦合振动会使得有限元计算得到的结构动力特性与实际结构的真实动力特性之间产生较大的误差;同时还论述了屋面均布荷载大小、预应力大小和结构跨度等参数将会对这个差异与结构模态分布造成怎样的影响。4)对两种模型进行三维地震下的时程分析,一种模型使用本文提出的拉索等效力学模型对拉索进行模拟;另一种使用传统方法所建立的有限元模型。将两种模型在相同参数下计算得到的动力响应结果进行对比,分析在进行地震响应计算时如果不考虑拉索振动的影响,将会使得有限元计算结果与实际建筑结构的真实地震响应之间产生怎样的误差。之后同时对两种结构进行变参数分析,尝试找出该误差值随屋面均布荷载、结构跨度、预应力以及地震烈度等参数改变而变化的规律。并且在一些特定参数变化范围内,给出了方便在实际工程计算中应用的误差的具体取值。
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