板片空间结构在现代建筑中的应用

第1章绪论
1.1研究背景与意义
板片空间结构属于科技含量比较高的一种新型空间结构体系，在现阶段的研究中，板片空间的稳定性是需要进一步研究的核心问题。

板片空间结构的构成主要包括两种，一种是薄壁金属骨架；另一种是轻质板材。

板片空间将这两种结构进行有机结合在一起，形成承受重力的构架。

该构架不仅将外观设计内部装饰融入一体，而且还成为一种全新的空间构架。

板片空间结构的形状属于三维状态，在不同荷载作用下能够具有三维受力特性且能够体现出空间作用的空间结构。

该结构有很多优点，最突出的优点就是可以将各种材料的特性发挥到极至，从而满足不同建筑造型的构建要求。

所以，空间结构包括以下特点：第一，是受力均匀，比较合理；第二，材质轻，价格低廉；第三，造形灵活多样，具有一定的审美观。

在建筑设计过程中，将板片和不同类型的骨架结合在一以起使用，可以有效的增强空间结构的硬度，这也正是板片结构和其它网架结构不同之处。

在建筑设计中，板片空间结构体系厚度要求为一至二厘米左右，其薄壁骨架的要求为小于三毫米，通过特定的方式组合起来形成板片空间的结构，其与网架等其他空间结构存在一定的差异，从本质上来看，它将航空结构技术直接运用到了建筑设计中，使土建结构的空间构造更为美观与科学，达到了空间布局的合理化。

板片空间结构主要适用建筑分为三种，第一种是高层建筑结构；第二种是大跨屋盖结构；第三种是桥梁结构。

实践证明空间结构在这些领域的运用取得了非常显著的成果。

板片空间结构运用已有三十多项的实践成果，比如位于江苏南京的人行天桥，位于江苏苏州的体育馆，郑成功雕像等。

通过一系列的实践表明板片空间在建筑设计中有着较高的经济价值，使用板片空间结构不仅可以降低工程资金投入，同时还与当前我国绿色环保型社会的构建相辅相承，非常适合与我国节能环保的建筑理念。

不过由于它是一种新型的空间结构体系，它需要一段时间的修正和完善，仅当前情况来讲，结构还有很多问题需要修正。

比如，建筑设计中构造缺陷、空间设计的优化等，而最关键的问题就是它的稳定性必须得到解决
和进一步改进。

由于空间结构的动力稳定性经过多个方面的努力取得了阶段性的成果，原来的稳定性被赋予新的概念，就目前来看，关于空间结构的动力稳定性研究取得了许多新的进展，旧有的动力稳定方面的概念被重新定义，但还有部分问题尚在探索时期。

大家都知道，跨度较大的呈现出曲面的形态时，它的负重感就会失去平衡，而平衡不稳定会造成整个建筑设计的美感遭到破坏。

所以说，板间空间的稳定性需要通过相互的支撑来完成的。

在建设设计过程中，连接件的合理安排和骨架的科学连接是整个设计的核心部位，不过，板片空间的工程过程中的稳定性还要进一步努力解决，通过什么样的方式来完善空间结构各部分之间的连接，在设计过程中全面掌握和认识板片结构的重心力部分，就会为该结构体系在建筑设计过程中良好的运用提供坚强而有力的理论支撑。

在实际操作过程中，板片空间结构中的任何一边不管能否存在间隙，它所接触到的结构重心都对下一步的支撑分布有着一定的影响。

由于部分结构具有接触作用的支撑能够与相连的部分一起工作，可以在一定程度上提升结构的承载力与结构的刚度；但是还有部分结构，也是受接触作用的影响，在受到局部高压力的同时，会因为压力的负重不均出现裂缝。

所以，由于接触点与联合工作的特点造就了板片空间结构的稳定性，对下一步了解空间结构的接触形态与受力状态及建筑设计方面都有着积极的意义。

最近几年来，相当一部分研究人员开始从多个层面对板片空间结构的稳定性进行研究，通过大量的数据分析与模型测试以后，收获了一些成果。

不过，因为板片空间结构设计相对灵活，造成其影响元素比较多，在模型测试过程中使用的模型种类不同，造成得出的结论也不同，因此，在定量研究上有一定的差别，而且这种差别对于设计人员来讲根本无从下手。

所以，面对这种情况，在共同工作的结构连接点上，寻找一种更科学，更合理并且便捷同时还可以确定板片空间稳定性的途径，成为建筑设计人员在实际工作需要进一步研究的课题和解决的问题。

1.2相关研究的评述
社会不断进步的同时带动了建筑学相关领域的空前发展。

虽然空间结构的稳定性还处于研究阶段，没有积累出丰富的实践经验，过去的稳定性也被赋予了新的概念，许多问题仍处于研讨阶段，因此，对于空间结构的稳定性我们可以通过两个方面完成研究。

1.2.1结构稳定的研究现状
在建筑学中最古老的学科莫过于结构稳定学了。

一七四四年Euler对外发表了他所编写的关于柱子稳定方面的论文，在文章中他提到了与小挠度理论有关的欧拉临界荷载。

十八世纪，Lagrange全面阐述了柱子的变形学说，我们可以看到，
Euler与Lagrange探讨的领域都是理想柱，也就是柱子的截面，压力作用与中轴线的结合。

虽然他们研究的范围仅是一些基础的结构与负重学，但是得出来的理论却为今后人们对稳定问题的研究起到了引导作用。

并且，由Euler与Lagrange研讨出来的柱子临界荷载公式到现在仍然使用。

二十世纪三十年代, Dnoell开始对轴线的稳定性进行研究。

Von Karman与钱学森共同研究出屈曲荷载理论和实验之间的不同之处，从而出现了弹性稳定大挠度理论。

柯依脱也开始对后屈曲问题进行探讨，在探讨过程中解决了不稳定性造成的主要存在原因，为弹性结构稳定性打下了坚实的基础。

Thompson（1963）针对结构弹性稳定进行了详细的阐述，按照幂级数原则将总势能方程进行了分解，在研究弹性问题中，借组定义广义坐标和使用荷载变量来获得求解过程，从而根据结构从分支、跳跃临界状态进行分析。

Poincare（1965）更多的从临界平衡进行研究了结构弹性问题，并提出在其附近存在平衡点。

伯为关于分析失稳形态，因卡理论提出了关键性的方法，虽然该理论仅限于对单荷载参数系统的分析。

摄动法是传统分析结构非线性稳定性问题的重要理论。

关于该方法的研究，Morin和Connor研究了壳体结构在发生屈服时的整体位移及相应的临界荷载，对于后屈曲平衡路径进行了探索，并取得了具体的路径。

同时，针对网壳结构研究都是在连续薄壳稳定性基础上获得的，借助该方法能够针对特定结构网壳进行分析，从而获取其特性。

Wright、Buchert、Del.Bzo和胡学仁等都进行了相应的研究，并都获得了进行计算网壳稳定公式。

拟壳法在应用于网壳结构临界载荷分析获得认可，然而在某些特殊领域有着局限。

经过理论分析获得结论，必须要结合实际的实验来验证其真实性。

上世纪六十年代左右，计算机技术和信息技术有了突破性的发展，分析结构稳定性中开始大量的使用非线性有限元方法。

在所使用的有限元方法中最为典型的结合结构切线刚度矩阵，能够综合考虑在实际屈曲中影响因素。

在该方面的研究中，主要集中在实验、平衡路径跟踪和非线性理论，相关学者提出了诸多研究成果。

然而，在研究中发现，结构非线性求解存在一些路径的发散和求解奇异点，这就影响了求解分析效率，相关学者也相应的提出了针对性的方法，主要包括如下：位移控制法、增量牛顿－拉普森法、功控制法、人工弹簧法、弧长法，这些方法在相应的领域都有着自身的特点，但综合分析这些方法发现，弧长法适应性获得了一致认可，在计算过程中受到奇异点影响较小，能够容易的达到后屈曲阶段。

沈世钊（1998）为了获取为结构性问题的分析方法，利用大规模参数进行分析了诸多结构，主要网壳结构包括：鞍型网壳、球面网壳、双曲扁网壳和柱面网壳，获得了符合实际情况结论，并采用公式来分析所获得结果。

在上世纪初，有学者就采用实验的方法来验证结构稳定性问题，在实验中采
取良好的实验模型，控制加载精度，而针对轴压圆柱薄壳失稳的临界荷载试验值为进行线性理论分析计算结果的1/5～1/2。

所以，Donell提出了初始缺陷，并将其最为基本概念应用到分析结构稳定性中，并且在分析非完善柱壳使用了非线性大挠度。

Koiter（2008）通过研究，在其博士生论文中首次定义了初始缺陷敏感度，并将其联系结构的初始后屈曲性，该方法在小变形的初始后屈曲分析中有着良好的应用效果。

针对结构临界荷载确定难度较大，然而针对某些大跨度结构，尤其是在分析的壳体结构中，初始缺陷是一个重要的研究问题，对于实际工程有着重要的影响。

1.2.2板片空间结构动力稳定性的研究现状
板片空间属于较为新的结构体系，分析其动力稳定性研究较少，总体来说该领域的研究处于初步状态。

处理共同工作是研究该领域的最核心问题，并且相应的数值方法也是求解中的难点。

Becker E.B（1984）通过引入了接触共同工作条件，分析了在间接集中载荷情况下拱结构稳定性问题，采用ABAQUS有限元，进行了分析实现了跟踪后屈曲的过程，从而验证了接触条件是进行求解结构稳定问题关键因素，为数值分析计算提供了基础，然而该分析还仅限于理论方法，缺乏实际验证。

尹凌峰（2003）研究了带有大变形和摩擦的复杂大型空间结构力学，但缺乏对结构稳定性分析。

针对接触分析实际上也属于非线性问题，而计算和分析非线性问题时，非线性过程追踪主要涵盖了以下三个方面：最外层增量加载循环、中层塑性修正迭代和内层接触迭代。

杨琦（1993）研究了板片空间结构体系的稳定性问题;马军（1999）主要考虑缺陷进行分析了板片空间结构体系稳定问题，针对其中的缺陷稳定阐述了相应的细节。

然而，这些研究缺乏对共同工作问题分析，只是将其简化为位移完全协调问题。

郭小明（2002）分析和研究了弹塑性接触问题，详细介绍了进行构建板片空间结构接触共同工作问题模型过程，针对其中的细节包括连接、接触、间隙等进行了分析，并获取了有利于分析的结果。

目前，针对接触共同工作的板片空间结构动力稳定性研究，基本都是从结构的强度角度进行分析，稳定性问题通常进行了适当的简化，将其作为连接点处的位移祸合进行分析，忽略了实际中接触问题，缺少对接触共同工作情况下的板片结构动力稳定性研究成果。

分析目前科研成果可知：首先，不能轻视承载力以及结构变形被接触共同工作问题的制约作用；其次，计算的成本也由于迭代以及循环的过于繁多而不断增多。

为了使得工程应用的实际价值得以体现，就要设法处理此问题，但是动力稳定问题的计算效率就会明显的在接触共同工作问题的基础上得以体现。

所以，从动力稳定性的角度研究接触共同工作的板片空间构造，从而在极大程度上有助于处理数值探索过程中出现的所有矛盾。

1.3研究的主要内容与方法
1.3.1研究内容
分析目前的板片空间结构动力稳定性问题的探索成果可知：大都集中在定性的分析上，定量地分析该如何合理地建立有限元分析模型和风振分析模型，极少在接触共同工作的基础上研究此问题。

所以，需要定量分析此体系的接触共同工作问题有限元模型。

文中从下列几个方面进行分析、探索：
1.3.2研究方法
板片空间结构共同工作问题是围绕着接触共同工作进行的，在有限元数值方法的基础上，处理此问题的重点是科学探索在板片空间结构系统中融入接触问题。

在应用此类构造的时候需要分析初始缺陷的影响以及板片空间结构的稳定性。

文中主要是围绕着在板片空间结构动力稳定分析融入接触问题的科学方法进行探讨的。

现在，在研究板片空间结构动力稳定性方面，选取合理的有限元方法分析方法是最常用的方式，在该方式中：可以设想板连接梁的地方有着良好协调的位移，但是在不是连接的地方有着协调的竖向位移。

然而间隙状态以及接触状态是产生在现实构造中骨架与板片间的状态，特别是处于全部构造发生大变形屈曲阶段当中的时候，会产生特别复杂的交替出现接触状态以及间隙状态的现象，但是此种现实状态并没有得到上述方法的充分考虑。

所以，现在最理想的方式即为在接触共同工作的板片空间结构动力稳定性基础上进行的探究，数值模型的精准以及细致特性都能在融入接触问题以后得以很好的现实。

文中状态非线性的融入是在研究共同工作的板片空间结构动力稳定问题的基础上完成的，同时首先简单的分析了有限元模型以及风振模型，通过分析板片空间结构特征，从其特征分析获得最符合实际的接触模型，考虑计算效率进行执行计算过程。

最终，结合有限元数值分析求解，从而证明有限元模型和方法是该问题处理的关键技术。