上海交通大学硕士学位论文索网找力分析方法和成形过程试验研究姓名：赵俊钊申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：付功义;陈务军20080201索网找力分析方法和成形过程试验研究 摘 要 索网结构是从悬索结构发展而来的一种结构体系。悬索结构形体简单，索间距较大（稀疏布索） ，维护系统构件大，在世界广泛用于大跨，我国上世纪八、九十年代也建成多座体育场馆。索网结构可适应复杂形体，索网格间距小（密索布置） ，维护系统简洁，但是索网结构要求复杂的设计分析理论和方法、精密制造技术和精确安装控制等，所以，仅在德国应用较多，我国近几年才开始应用于一些玻璃结构。 初始网格的确定是索网结构设计的第一步，也是十分关键的一步。基于建筑形体设计建立的网格需要确定合理的张力来实现，以满足结构性能要求，因此，找力分析方法就是索网设计分析理论研究的重要课题。目前，相关研究文献较少。 本文首先研究了基于非线性有限元原理、采用复位迭代的计算方法（复位平衡法） 。 然后研究了基于力法平衡方程平衡矩阵分解的线性自应力模态组合方法， 采用奇异值分解求平衡矩阵的自应力矢量。最后研究了两种方法组合的混合方法，以线性结果作为初始力进行非线性迭代分析。根据这些方法，编制了 Matlab 程序，通过数值分析算例证明了程序的正确性以及方法的有效性。 最后， 本文进行了马鞍形双曲索网模型试验， 试验模型平面尺寸为 1.8mX1.8m。通过分步分级悬挂砝码加载来控制索张力， 测出了成形过程 15 个平衡形态和最终平衡形态，通过与数值计算结果比较，证明了试验方法的有效性。 关键词：索网结构，找力分析，复位平衡法，平衡矩阵奇异值分解法，模型试验FORCE-FINDING METHOD RESEARCH AND FORMATION PROCEDURES EXPERIMENT OF CABLE NETWORK STRUCTURE ABSTRACT The Cable-net structures evolutes from the cable-suspended roof structure. The cable-suspended roof structure has rather simple boundary and shape, big size grid and heavy cladding system. It is extensively used for large span space and several gymnasiums were built domestically in 1970s90s. The cable-net structure can realize complex form in complex boundary, and has fairly free-form applicability. The size of cable-net is small enough to cover simple and lightweight system, such as acrylics panel, glass sheet, etc. It is just used more in Germany, and recently used for some glass structure in China due to the requirements of advanced analysis theory, design technology, manufacture technology and erection procedures. The first step of cable-net design is to specify the initial geometry. The initial form is imaged from the architects idea, which must depend on the synergetic and flexible nature. This requires specific pre-stress to realize and maintain the form, and even meet to structure performance requirements. The force-finding method is a key topic of cable-net structure design, but the literature is rarely in the past. In this paper, on the basis of nonlinear finite element principle, the replacement equilibrium method is investigated, which use iteration procedure. Secondly, on the basis of equilibrium matrix of force method, singular value decomposition (SVD) is used to calculate the singular value vectors which are linearly super imposed to generate the self-stress mode vector. Finally, a composite method is presented. The results of linear method are assumed an initial value of the nonlinear method. According to the algorithm in the context, the numerical program is developed with Matlab. And the numerical example results demonstrate the program is correct and the algorithm is effective. Finally, a hyperbolic saddle cable-net is built with stainless steel rope mounted on the steel rig. The plain size of test model is 1.8m x 1.8m. Appling specified cable tension step-by-step and various grades in sequence with the cable passed through the pulley and suspended specific poise. A series of equilibrium states are founded with the evolution to the final equilibrium configuration of the cable-net. And the comparison results demonstrate that the experiment procedure is effective. KEY WORDS: cable-net structure, force-finding analysis, replacement equilibrium method, equilibrium matrix singular value decomposition method, model experiment上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赵俊钊 日期：2008 年 2 月 27 日上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：赵俊钊 指导教师签名：付功义 日期：2008 年 2 月 27 日 日期：2008 年 2 月 27 日1 第一章 绪论 1.1 悬索结构历史与现状 悬索体系作为承重结构有着悠久的历史1。古代帐篷式房屋就是悬挂屋盖的雏形。随着钢材的利用，现代化大跨悬索桥开始出现，从 20 世纪初以来取得了巨大的进步和发展。从 20 世纪 50 年代开始，悬索结构在房屋建筑方面的应用才开始有了长足的进步。一方面是由于随着经济文化的发展，社会需要大型的房屋结构；另一方面则是由于结构材料制造技术的发展和结构计算方法的进步，使得建造大跨度的结构成为可能。在欧美和日本等国家已经建造了不少有代表性的悬挂屋盖，主要应用于体育馆、飞机库、展览馆、会堂等大跨建筑。世界上第一个现代悬索屋盖是美国于 1953 年建成的 Raleigh 体育馆，如图 1-1，该结构采用以两个斜放的抛物线拱为边缘构件的鞍形正交索网结构。图 1-2 是德国多特蒙德展览大厅，屋盖平面为 80m118m 的矩形。 图 1-1 美国 Raleigh 体育馆 图 1-2 德国多特蒙德展览大厅 Fig. 1-1 Raleigh gymnasium Fig. 1-2 Dortmund exhibition hall 我国悬索结构发展开始于 20 世纪 50 年代后期和 60 年代。 北京工人体育馆和杭州浙江人民体育馆是两个代表作，前者建成于 1961 年，其屋盖为直径 94m 圆形平面，采用车辐式双层悬索体系；后者建成于 1967 年，采用椭圆形平面的双曲抛物面正交索网结构，其长轴跨度为80m，短轴跨度为60m。自二十世纪八十年代中期起，悬索结构进入了一种较好发展状态，工程实践数量有较大增长，结构应用形式趋向多样化，形势比较喜人。 近年来，我国工程实践中所采用的悬索结构形式十分丰富，包括如下几种： 各种单层索系 各种双层索系 索网找力分析方法和成形过程试验研究 2 横向加劲单层索系索梁（桁）体系 各种鞍形索网 各种组合式悬挂屋盖 斜拉体系、索拱体系等混合结构形式 由此可见，我国几乎对各种悬索结构形式都进行了尝试和探索。尤其值得称道的是，我国工程技术人员在学习和吸收国外先进经验的同时，结合工程具体条件创造更加符合中国国情的结构应用形式方面做了不少尝试和创新。 目前在建的上海中国海洋博物馆中央帆体就是索网结构，如图1-3、1-4。该索网总高度大约为58米，最宽近24米，是目前国内规模最大、设计、施工技术难度最大、单层索网玻璃结构。陈务军老师等正在负责对该索网设计、网格、找形、找力、协同分析、施工张拉等关键设计技术。 图 1-3 中国海洋博物馆中央帆体效果图 Fig. 1-3 National Maritime Museum artist image 第一章 绪论 3 图 1-4 中国海洋博物馆中央帆体模型 Fig. 1-4 Analytical model of