索支撑径向开合屋盖结构体系及其运动过程研究

A cable-supporting radially retractable roof structure is proposed for the multi-functionality of long-span space structures. The degree of freedom of the system was firstly studied based on the symbolic computation of the Jacobian matrix of the constraint condition. The inner force calculation methods of multi-segmental curved beams, cables and scissor joints are discussed in the vector form intrinsic finite element method. Then the moving process analysis method of the retractable roof structures considering rigid displacements and elastic deformations is developed. Furthermore, the algorithms considering contact between the pin and the body of scissor revolute joints are developed to discuss the influence of the joint's clearness on the movement of the retractable roof structure. Moreover, a frictional sliding cable element is embedded in the finite element program. The symmetry of structure is discussed based on the search and evaluation of the symmetry of the space truss structures. After that the group theory is used to divide the structural stiffness matrix into a group of irreducible matrix. Then the inverse operation of the structural stiffness matrix can be replaced by the inverse operation of some irreducible matrix, which increases the computational efficiency. The mechanical behavior of the retractable roof structure under different loads is investigated in detail. On the basis of results of experiments, some design and construction suggestions are given. It could be concluded that this project has a very important role in the development of multi-function buildings and new types of space structure systems in our country.

为了实现大跨度空间结构的多功能性，本项目基于体系约束条件Jacobian矩阵的符号运算分析开合屋盖的自由度，提出一种索支撑径向开合屋盖结构。利用向量式有限元，在研究多折角梁、拉索及剪铰节点内力计算方法的基础上，建立一种同时考虑刚体位移和弹性变形的开合屋盖结构运动过程分析方法，并提出一种剪式铰中销轴和孔体间相互接触和碰撞的判断方法及其响应计算方法，从而研究剪式铰间隙对整个径向开合屋盖运动过程的影响。建立考虑摩擦的滑移索单元嵌入到有限元程序中；提出一种空间网格结构的对称性搜索和判断方法；应用群论将刚度矩阵约化为一系列不可约矩阵的组合，将结构计算时结构整体刚度矩阵的求逆过程转化为多个不可约矩阵的求逆，提高计算效率。对各种荷载作用下径向开合屋盖结构的受力性能进行详细的分析；在模型试验的基础上，提出相应的设计、施工建议。本项目的完成将对我国多功能建筑、新型空间结构体系的发展起到重要作用。

开合屋盖结构是一类可以自由地大尺度改变几何构形的结构，它们可以从闭合状态变换到开启状态。为了实现大跨度空间结构的多功能性，本项目针对开合屋盖结构的共性问题及关键技术，采用理论分析、数值模拟、物理模型实验相结合的研究手段，对多种新型开合屋盖结构的几何构成、运动过程以及受力性能进行了深入的研究。结合螺旋互易定理，利用两个连杆公共节点处约束螺旋相等，证明了Hoberman连杆机构、交叉以及非交叉成角度剪式单元的可动性。随后，利用剪式单元组成连杆机构体系，其自由度为体系约束方程Jacobian矩阵的零向量空间数量。在对由Hoberman剪式单元组成的多种径向可开启屋盖结构进行运动特性分析的基础上，深入研究了体系闭合后的受力性能以及开启闭合过程中的受力性能。 提出了基于体系约束方程的可动性判别方法；通过约束方程的一阶分析确定体系为无穷小机构或者结构，从而完整地区分了有限机构、无穷小结构、结构。对有限机构进行研究，通过约束方程的求解，分析了有限机构的运动分岔现象。.利用四元数表示空间定点旋转的理论对圆管状折叠结构能否刚性展开和折叠进行判定并对非刚性可动圆管的展开和折叠过程中产生的应力应变进行分析。以球面四连杆机构为基本单元，提出了一种环向运动的开启屋盖体系。利用两种改进的Miura折纸模型——变角度Miura折纸模型和变长度Miura折纸模型，制作成在运动过程中具有一定曲率的折叠体系，并结合球面三角学理论对四折痕折纸单元进行研究。以动力学普遍方程和第一类拉格朗日方程为理论基础，采用有限元分析方法，以节点坐标作为广义坐标，研究折叠板壳结构展开过程的动力特性。提出了圆柱形充气索膜结构的构形，并重点对其找形过程、展开过程以及荷载态进行研究。在总结国内外薄膜反射面结构研究现状的基础上，进行了对薄膜结构展开过程的数值模拟和空间剪式铰结构展开过程的数值模拟，并重点对其展开过程的评价指标进行研究。.本项目的完成将对我国多功能建筑、新型空间结构体系的发展起到重要作用。