弦支穹顶结构找力优化方法及施工仿真分析

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1、工程硕士学位论文弦支穹顶结构找力优化方法及施工仿真分析作者姓名林全攀工程领域建筑与土木工程校内指导教师姜正荣副教授校外指导教师谢庆华高级工程师所在学院土木与交通学院论文提交日期2018年4月ForceFindingOptimizationMethodandConstructionSimulationforSuspendedDomeStructuresADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LinQuanpanSupervisor：Prof.JiangZhengro

2、ngSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要弦支穹顶结构是由上部单层网壳与下部索杆体系杂交而成的自平衡结构，由于其受力合理，近年来被广泛地用于大跨度空间结构。本文在查阅大量相关文献的基础上，对该结构体系的找力分析、预应力优化及施工仿真分析等问题进行研究。主要内容如下：(1)采用能量法分别对弦支穹顶结构在竖向荷载及预应力作用下的变形函数进行推导，得到了相应的位移解析表达式，为该类结构的预应力确定提供了新思路。算例分析表明：基于能量法的计算结果与有限元法相比，概念清晰，误差

3、较小，精度较高，由此验证了本文推导的变形函数的适用性。(2)提出了弦支穹顶结构的找力分析新方法——基于预应力水平的分布更新法。该方法以不断更新的预应力比值来分配拉索预应力，以索力为收敛控制参数，迭代得到满足要求的预应力分布，并与弹性支座法进行对比，验证了该方法的合理性。结果表明：基于预应力水平的分布更新法，不仅计算效率高，求解速度快，所得结果更接近优化目标，适用于弦支穹顶结构的找力分析。(3)将模拟植物生长算法(PGSA)应用于弦支穹顶结构的预应力优化研究。分析了该算法的局限性，即初始生长点选取的任意性导致PGSA陷入局部最优

4、解，以及劣质生长点的存在导致部分生长点偏离光源生长，从而降低了算法的优化效率。鉴于此，本文提出了相应的改进策略，分别为基于粒子群算法的初始生长点优选法及基于目标函数优劣值的生长空间优选法。基于以上分析，本文综合两种改进策略，提出了改进的模拟植物生长-粒子群混合算法(PGSA-PSO)，利用MATLAB和ANSYS的自编程功能，编制弦支穹顶结构的预应力优化程序，并将所得结果与其他优化方法进行对比。研究表明：PGSA-PSO优化效率更高，优化效果更好，所得结果更接近优化目标。该算法可为弦支穹顶结构的预应力优化研究及应用提供新的解决

5、方法。(4)采用不同的张拉方案对弦支穹顶结构进行施工仿真分析，探讨张拉顺序和临时支撑对该结构施工过程的影响。结果表明：不同的张拉顺序对上部单层网壳环向杆内力峰值的影响较为显著，而对径向杆的影响不大，且上部单层网壳的节点竖向位移差异较小；由外圈到内圈依次张拉环向索的过程中，当预应力水平较大时，部分临时支撑已脱I离上部单层网壳，导致两种方案的构件内力峰值与竖向位移的差异均较小，可忽略临时支撑的影响。因此，工程实践中，对类似结构的施工仿真分析，宜考虑张拉顺序的影响。关键词：弦支穹顶结构；能量法；找力分析；模拟植物生长算法；预应力优化

6、；施工仿真IIABSTRACTThesuspendeddomestructureisalate-modelspatialstructurecompositedwithuppersinglelayerreticulatedshellsystemandlowercable-strut.Becauseofitsreasonableforce,ithasbeenwidelyusedinlong-spanspatialstructures.Theproblemsofforcefindinganalysis,prestressoptimi

7、zationandconstructionsimulationanalysisofsuspendeddomestructurearestudied.Themaincontentsareasfollows:(1)Theenergymethodisusedtodeducethedeformationfunctionofsuspendeddomestructureunderverticalloadandprestressrespectively,andthecorrespondingdisplacementexpressioniso

8、btained.Itprovidesanewwaytodeterminetheprestressofthestructure.Theexampleanalysisshowsthatthecalculatedresultsbasedontheenergymethodarever