摘要摘要索膜结构是一种新型的空间结构形式，它通过施加预应力，使结构具有一定的刚度以承受各种荷载作用。在荷载作用下，如何使索膜结构在满足功能要求及美观要求的前提下具有最优初始形态，是索膜结构形态分析的重点。而考虑膜结构与支承结构的相互作用，建立结构整体计算模型进行分析，是索膜结构设计的难点与关键之一。本文在总结国内外研究现状的基础上，针对索膜结构的形态优化分析与整体协同分析进行了系统的研究。本文首先推导了索膜结构几何非线性分析的有限元基本方程，并且给出了判断索单元松弛和膜单元褶皱的准则、非线性有限元方程组的解法及其收敛判定。在合理设定优化变量的基础上，以有限元软件A N S Y S 为平台，编制了索膜结构的形态优化程序，分别对上部膜结构、索膜结构一下部支承体系的整体计算模型进行优化分析。通过设定不同的设计变量及目标函数，不仅可以达到设计人员所追求的不同目的，而且还可以得出最优形态下的设计变量值，克服了根据经验来确定膜结构初始预应力等参数的缺点，对工程设计具有一定的指导作用。分别采用整体式与分离式计算模型对索膜结构进行了分析，说明两种计算模型的区别及其对各构件的影响。通过比较各优化变量的迭代曲线及优化前后上部膜结构和下部支承结构的受力及位移，给出了一些工程建议。整体式计算模型准确地模拟了实际结构，较好地反映了结构的实际受力状态，从而验证了在索膜结构找形分析及荷载分析中尽量建立整体式计算模型的必要性。本文的研究成果对索膜结构的设计具有一定的指导意义，并为后续的裁剪分析奠定基础。关健词：索膜结构、几何非线性分析、形态优化、整体协同分析A b s t r a c tA b s t r a c tC a b l e m e m b r a n es t r u c t u r ei sak i n do fn o v e is p a c es t r u c t u r e T h es t r u c t u r eo b t a i ns t i f f n e s ss oa st ob e a rl o a du n d e rp r e s t r e s s H o wt oo b t a i nt h eb e s ts h a p ei nt h ec a s eo fs a t i s f y i n gf u n c t i o n a la n db e a u t i f u lr e q u i r e m e n ti st h ee m p h a s e so fs h a p ea n a l y s i su n d e rl o a d I ti sa l s oo n eo fd i f f i c u l ta n dc r u c i a lp r o b l e m st oe s t a b l i s hg l o b a lm o d e lt oa n a l y s e st & k i n gs i d eo fm e m b r a n ea n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r e st o g e t h e r I nt h i sp a p e r , s h a p e - s t a t eo p t i m i z a t i o na n dc o u p l e dm e t h o do fc a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r e sa r es t u d i e do nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gr e s e a r c hs t a t u sb o t ha th o m ea n da b r o a d F i r s t l y , t h ef o r m u l a t i o no fg e o m e t r i c a ln o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ti sd e d u c e df o ra n a l y z i n gc a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r ei nt h ep a p e r T h ej u d g r n e n t so fc a b l es l a c ka n dm e m b r a n ef o l d ，s o l u t i o na n dc o n v e r g e n c eo f n o n l i n e a re q u a t i o n sa r eg i v e n W i t ht h ef i n i t es o f t w a r eo fA N S Y S ，t h eo p t i m a lp r o g r a mo fc a b l e m e m b r a n ei sc o m p i l e d ，t h eu p p e rm e m b r a n es t r u c t u r ea n dt h eg l o b a lm o d e li n c l u d i n gt h eu p p e rm e m b r a n ea n dt h eu n d e rs u p p o r ta r eo p t i m i z e dw i t h i nr e a s o n a b l eo p t i m a lv a r i a b l e s T h r o u g hs e t t i n gd e s i g nv a r i a b l e sa n do b j e c t i v ef u n c t i o n ，d i f f e r e n tp u r p o s e so fd e s i g n e ra r eg a i n e da n dt h ed e s i g nv a r i a b l e so ft h eb e s ts h a p ea r eo b t a i n e d T h eo p t i m a lr e s u l t sn o to n l yo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go fg e t t i n gt h ei n i t i a lm e m b r a n es t r e s sb ye x p e r i e n c eb u ta l s om a k ed i r e c t i o ne f f e 螽o ne n g i n e e r i n gd e s i g n T h ec a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r ei sa n a l y s e da d o p t i n gd e c o u p l e da n dc o u p l e dm e t h o d si no r d e rt oc o m p a r et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt w om e t h o d sa r i dr e s e a r c ht h ei n f l u e n c et oe v e r ym e m b e ri nt h ep a p e r E n g i n e e r i n ga d v i c ei sg i v e nt h r o u g hc o m p a r i n gi t e r a t i v ec u r v e so fo p t i m a lv a r i a b l e s ，f o r c ea n dd i s p l a c e m e n tb e t w e e nt h ea p p e rm e m b r a n ea n dt h eg l o b a lm o d e l T h eg l o b a lm o d e ls i m u l a t e st h et r u em o d e la n dr e f l e c t st h es t r u c t u r es t r e s sa c c u r a t e l y S ot h eg l o b a lm o d e ls h o u l db ee s t a b l i s h e di nf o r m f i n d i n g sa n dl o a d - c a s ea n a l y s i so f c a b l e m e m b r a n es t r u c t u r e T h er e s e a r c hf i n d i n g sw i l lg u i d et h ed e s i g na n de s t a b l i s has o l i db a s ef o rt h ec u t t i n go fc a b l e m e m b r a n es t r u c t u r e K e yw o r d s ：c a b l e - m e m b r a n es t r u c t u r e ，n o n - l i n e a rf i n i t ee l e m e n t ，s h a p e - s t a t eo p t i m i z a t i o n ,c o o p e r a t i v ea n a l y s i sI I学位论文独创性声明：本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：绘宝薹如口7 年弓月2 z 日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：盆暴耋衅月弼日第一章绪论第一章绪论索膜结构具有丰富的建筑造型和优异的结构受力特性，实现了人们所追求的自然、和谐、开敞、明亮的内部空间，目前广泛应用于商业建筑、体育建筑、工业建筑等大跨度结构及户外设施、文化娱乐建筑等各种建筑小品中。随着当今建筑技术水平的提高和材料科学的发展，索膜结构已成为最有潜力的建筑结构形式之一1 1 膜结构的概述1 1 1 膜结构的发展作为一种古老而又年轻的建筑结构形式，膜结构可以追溯至远古时代游牧民族用兽皮做成的帐篷u - z 。1 9 1 7 年美国人F e d e r i c hw L a n c h e s t e r 曾经构想利用新发明的电力鼓风机将膜布吹胀来做野战医院f 3 1 。1 9 4 6 年，W a t e fB i r d 为美国军方傲了一个直径为1 5 m 圆形充气的雷达罩( R a d o m e ) ，可以保护雷达不受气候侵袭，又可让电波无阻的通过，由此真正衍生出一种新的建筑工业产品一索膜结构 4 1 。，2 0 世纪5 0 年代，德国学者F r e iO t t o i s 首先将聚脂纤维织物作为基材，以复合聚氯乙烯( P V C ) 树脂类材料为面层制造出的工程膜材料，用在建筑结构物中。F r e iO t t o 创造性地应用“皂泡理论”模拟膜的表面张力形态，对膜结构