索支撑单层网壳结构体系及其稳定承载力研究

单层网壳结构网格内外配置拉索可以有效提高网壳结构的稳定承载力，这种索支撑单层网壳结构拉索配置方式自由、形成的曲面适应性强，国外已有成功工程实例，但系统研究还未开展，本项目对此类结构的体系构成及稳定承载力性能开展研究。对典型单层网壳拉索可能的配置形式进行分类，推导等效刚度及利用壳体古典屈曲荷载构建线性屈曲荷载近似公式，利用数值计算统计得到考虑几何非线性及初始几何缺陷后弹性屈曲荷载的折减系数并将其应用于弹性屈曲荷载的近似计算。进行极限承载力数值分析，考虑材料弹塑性及几何非线性，研究初始几何缺陷模态和大小、荷载分布、索配置方式、索截面积及预张力、撑杆长度、节点刚性等对极限承载力的影响，统计分析材料弹塑性及节点刚性对极限承载力的折减系数，研究根据屈曲模态以及变形特点进行拉索局部配置的优化设计方法。最后进行索支撑单层网壳结构模型弹性屈曲加载试验，试验研究稳定承载力。

结构失稳问题制约着单层网壳结构的发展和应用，而在普通单层网壳结构中引入索支撑体系形成索支撑网壳结构这一新型结构体系则可以有效地改善其稳定性能。本项目对引入索支撑体系形成的索支撑单层网壳结构进行了系统的理论推导、数值分析和模型试验研究以考察其静力稳定性能。通过理论推导构建了其屈曲荷载的近似计算公式，从而实现了由结构参数直接估算其承载能力的简便方法。与数值分析结果的对比发现该近似计算公式具有较高的精度，即使对于非线性屈曲荷载，该近似计算公式的最大误差也不超过20%。数值分析发现现行规范中建议的“一致缺陷模态法”可能会高估索支撑单层网壳结构的承载能力，本项目提出了可以确定对应着结构实际承载能力的初始缺陷分布的新方法，并以此方法为基础对索支撑单层网壳结构进行了一系列非线性屈曲分析。分析表明，通过布置合理的索支撑体系可以将单层网壳结构的承载能力提高至原来的3倍以上。数值分析还发现引入索支撑体系后可以降低结构对节点形式的敏感性，据此提出了索支撑单层网壳结构中可以采用施工便捷的剪铰式节点这一建议。同时，参数分析还明确了各结构参数对索支撑单层网壳结构稳定性能的影响规律，这些结论可以直接用以指导工程实践。本项目首次对索支撑单层网壳结构展开了系统的模型试验研究，证实了这种结构体系在不同荷载分布作用的工况下均能有效地改善结构的稳定性能。