气撑式弦支穹顶施工模拟及充气成形技术研究

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1、硕士学位论文气撑式弦支穹顶施工模拟及充气成形技术研究RESEARCHONCONSTRUCTIONSIMULATIONANDINFLATABLEFORMINGTECHNOLOGYOFTENSAIRITYDOME辛国财哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：TU398+.9学校代码：10213国际图书分类号：624.04密级：公开工程硕士学位论文气撑式弦支穹顶施工模拟及充气成形技术研究硕士研究生：辛国财导师：曹正罡副教授申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2017

2、年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU398+.9U.D.C:624.04DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONCONSTRUCTIONSIMULATIONANDINFLATABLEFORMINGTECHNOLOGYOFTENSAIRITYDOMECandidate：XinGuocaiSupervisor：AssociateProf.CaoZhenggangAcademicDegreeApplied

3、for：MasterofEngineeringSpeciality：ArchitectureandcivilengineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要基于Tensairity概念的气撑式弦支结构是近年来提出的一种新型的结构体系，其利用不同形态的充气气

4、囊代替了传统弦支结构的竖向撑杆，这种结构具有形式简单、受力明确和施工简便等优势，使其得到很多学者的关注和研究，并得到了迅速的发展，已从平面的气撑式弦支梁和桁架逐渐发展为空间的气撑式张弦穹顶，后者即为本文的主要研究对象。（1）为建立柔性气囊充气前的折叠模型，本文在前人的基础上提出了建立气囊折叠模型的新方法-简化的逆向折叠法（SRF法），大量算例表明该方法计算简便、成本小、且所得模型的精度较高，是可行的气囊折叠建模方法。（2）研究了气囊充气展开的模拟方法-基于热力学的控制体积法（CV法），基于此法借助A

5、baqus流体腔和流体泵模块成功实现了折叠气囊的充气展开仿真模拟。分析发现，纺锤形气囊的试验充气结果和模拟充气结果的吻合度较高，证明了本文所用充气方法的可行性和准确性。且由充气过程中囊内气压的时程可将充气展开分为等压膨胀和等容膨胀两个过程。同时，对多种型号气囊充气展开的成功模拟表明了该方法的普适性。（3）模拟分析了气撑式弦支穹顶的充气展开，通过分析结构上部网壳位移和索应力来考察充气过程中结构的时变性能。考虑到充气过程为绝热过程时囊内气体温度的变化对气压的影响，本文提出了三种可行的气压精确控制方案，由

6、于方案1操作简便计算量最小，可认为是最优方案。基于气压精确控制方案1，分别讨论了充气顺序、支撑胎架和支座形式等施工影响因素对气撑式弦支穹顶充气成形的影响。结果表明，对于气撑式弦支穹顶分区气囊的充气展开应尽可能采用多台充气泵按对称顺序进行充气，以减小充气过程中结构上部网壳的应力。对于有支撑胎架的气撑式弦支穹顶，充气过程中上部网壳会主动脱离胎架，为减小施工难度宜采用先充气后拆除胎架的施工方案。（4）基于Abaqus流体交换模块，模拟分析了气撑式弦支穹顶的漏气过程，由气压变化规律可将漏气过程分为：气压快速

7、下降段、气压过渡段、气压平缓段三个阶段。分别考察了漏气孔面积、气体温度、外荷载和气囊分区等对漏气的影响，分析表明气囊分区能将气囊漏气对结构造成的影响控制在局部。同时，分析了断索对结构初始态和荷载态的影响，结果表明，气撑式弦支穹顶的断索不会造成整个结构的突然性倒塌或者失效，结构承载力对下部弦索和竖向索的破断最为敏感。I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文关键词：气撑式弦支穹顶；气囊折叠；控制体积法；气囊充气仿真；时变性能；漏气模拟；断索分析II哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractTheTensai

8、rityisanewtypeofstructuralsystemproposedinrecentyears,Itusesdifferentformsofinflatablegasbagsinsteadoftheverticalstrutsofthetraditionalcablesupportedstructure.TheTensairityissimple,itsload-transferringroutisclearandconstructionissimple,