索穹顶结构是一种由拉索和压杆组成、依靠施加预应力提供刚度的柔性体系。目前国际上现有的索穹顶形式主要有Geiger型和Levy型两种,代表工程分别为1988年汉城奥运会体操馆和1996年亚特兰大奥运会主场馆。本文根据索穹顶结构特性、几何拓扑关系和受力机理提出了一种网格划分均匀新的索穹顶结构形式—Kiewitt型索穹顶结构,从理论和试验两个方面,对该新型索穹顶结构的整体自应力模态、合理初始预应力取值、荷载作用下的非线性特性、施工成形方案和计算方法进行了系统研究和深入分析,最后设计加工一模型进行了试验验证。 首先简单回顾索穹顶结构的发展历史和研究现状,指出本文研究课题—Kiewitt型索穹顶结构的选题背景,并明确论文的主要研究内容。 总结分析现有各种求解索杆张力结构初始预应力方法的适用范围及存在的局限性,充分考虑结构对称性和整体可行性,从平衡矩阵理论出发利用奇异值分解法提出了一种旨在求解各种索杆张力结构体系整体自应力模态的求解方法—整体自应力模态综合求解法,此方法不仅可以求解Geiger型和Levy型这类单整体自应力模态的整体自应力模态分布,而且可以求解Kiewitt型索穹顶和空间索桁结构这类多整体自应力模态的整体自应力模态分布。同时运用节点平衡理论分析体系的超静定次数,研究发现,考虑结构对称性后结构的超静定次数实质上即等于结构的整体自应力模态数,而且超静定次数随环索圈数的增加而呈规律性增加。 对Kiewitt型索穹顶这类具有多个整体自应力模态的索穹顶结构采用非线性规划法、以初应变能最小为优化目标进行了预应力优化,同时采用齿行法进行了截面优化。研究表明,预应力优化后的初始预应力分布在特定的荷载工况作用于由于部分索临近松弛而达到极限状态,截面优化使体系多数杆件由于截面达到满应力设计状态而达到极限状态。同时采用非线性有限元方法、利用不断迭代策略修正了考虑结构自重后的真实初始预应力分布。 采用非线性有限元方法求解结构在对称和非对称荷载作用下的静力响应,着重跟踪分析了结构部分索在加载过程中内力逐步减小直至松弛退出工作状态、而后随着卸载此部分松弛索又逐步产生力的全过程。同时分析了各类索由于某种原因突然单根退出工作的断索现象,研究表明,除环索以外的各类索发生断索后都能在局部区域发生内力重分配从而达到新的内力自平衡,不会造成整个结构的倒塌破坏;而环索一旦出现断索现象则会出现整个结构的倒塌。另外研究了体系的动力特性,发现Kiewitt型索穹顶结构频率分布密集,以整体变形为主的振型体现了结构良好的整体性能。 索穹顶结构施工成形的研究内容主要包括施工成形方案的探讨及施工过程的模拟跟踪。本文认为模拟各施工过程就是寻找各阶段平衡态过程,首先采用抛物线单元建立已知原长的构件