超大跨空间钢管拱桁架层面太阳能发电功能及其强震下弹塑性性能研究

【摘要】：随着世界建筑的日益增多,建筑耗能超越工业耗能和交通耗能,一跃成为社会耗能之首。在不可再生能源日趋减少的情形下,太阳能因其清洁和无限性引起大家重点关注。经过不断的开发创新,太阳能建筑一体化成为建筑未来的发展方向,尤其是光伏发电技术与建筑一体化在大跨度空间结构上的应用成为建筑行业的一大亮点。 人类文明的发展并不能阻挡自然灾害的发生,地震灾难作为自然灾害之首,具有不可抗拒的破坏力,灾后造成的严重损失也是人们无法承受的。从已发生地震后震区情形可知,为了使灾民能及时得到治疗尽快恢复正常生活,有必要建设抗震性能极强且用太阳能提供能源的大跨度空间结构的避难所以备灾后使用。据此,本文设计了240m跨矢跨比0.15的钢管拱桁架模型,并对其太阳能应用做了初步探索,进一步对其抗震性能做了研究,主要工作如下： 1.对太阳能发电原理、太阳能电池类型及其发电量计算方法、太阳能在建筑上的应用可行性等做了分析。 2.对配备了太阳能发电设备的240m跨钢管拱桁架进行设计,根据太阳能电池发电量计算方法对整个屋面太阳能发电量进行计算分析。 3.为满足抗震避难所及太阳能应用要求,在宁河波作用下对原设计结构进行动力弹塑性分析,经分析对原设计结构进行了部分截面调整,并对比了调整前后两模型的结果。 4.为进一步确定调整结构是否满足作为抗震避难所及太阳能应用的要求,采用宁河波、LOMA波和上海人工波对调整截面结构进行了X向、Z向、X+0.65Z双向地震的响应分析。 本文通过对上述两大部分内容的分析研究,得出结论如下： 1.超大跨度空间结构相比其他结构而言,更加适合太阳能的应用；经发电量计算,可知该结构太阳能板发电量足以供馆内日常生活使用,并且作为抗震避难所,灾后可以当作应急电源使用。 2.经分析对比可知,调整后单榀钢管拱桁架用钢量比原设计结构用钢量增加了11.2%,但拱桁架水平抗震能力提高了167%,竖向抗震能力提高了119%,双向抗震能力提高了198%。 3.不同地震波同一方向作用下,结构破坏时最大位移值基本一致,且都小于空间网格结构的容许挠度值,即结构跨度的1/250。 4.分析结果显示,调整结构在罕遇地震下仍可使用；强震作用下结构最大位移值小于空间结构正常使用时最大允许挠度值,同时也满足了太阳能板正常使用的条件 【关键词】：太阳能建筑一体化 大跨度空间结构 抗震避难所 动力弹塑性分析
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TU393.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 目录8-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 选题的背景及意义12-13
• 1.2 大跨度空间结构的发展概况13-15
• 1.3 太阳能建筑的应用及发展15-18
• 1.3.1 我国太阳能建筑应用及其发展16-17
• 1.3.2 国外太阳能建筑应用及其发展17-18
• 1.4 建筑抗震设计理论的发展18-21
• 1.4.1 静力理论阶段19
• 1.4.2 反应谱理论阶段19-20
• 1.4.3 动力理论阶段20-21
• 1.4.4 减震控制理论阶段21
• 1.5 本文主要内容21-23
• 参考文献23-26
• 第二章 太阳能在建筑上的应用26-42
• 2.1 引言26-28
• 2.2 太阳能发电28-30
• 2.2.1 太阳能发电类型28-29
• 2.2.2 太阳能发电原理29-30
• 2.3 太阳能电池30-35
• 2.3.1 硅系太阳能电池31-32
• 2.3.2 多元化合物薄膜太阳能电池32-33
• 2.3.3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池33
• 2.3.4 纳米晶化学太阳能电池33-34
• 2.3.5 太阳能电池的发展趋势34-35
• 2.4 太阳能电池发电量35-36
• 2.5 太阳能建筑一体化36-41
• 2.5.1 光照明应用36-37
• 2.5.2 光热应用37-39
• 2.5.3 光伏应用39-41
• 参考文献41-42
• 第三章 钢管拱桁架结构太阳能应用及设计42-54
• 3.1 BIPV在钢管拱桁架中的应用42-43
• 3.2 太阳能电池板安装布置及发电量计算43-48
• 3.2.1 太阳能电池板安装布置43-47
• 3.2.2 太阳能电池板发电量计算47-48
• 3.3 钢管拱桁架结构设计48
• 3.4 设计参数选取48-50
• 3.4.1 恒荷载48-49
• 3.4.2 屋面活荷载49
• 3.4.3 雪载49
• 3.4.4 风荷载49
• 3.4.5 温度荷载49
• 3.4.6 地震荷载49
• 3.4.7 荷载组合49-50
• 3.5 截面选择50-51
• 3.6 应力比51-52
• 3.7 本章小结52-53
• 参考文献53-54
• 第四章 单榀钢管拱桁架抗震性能对比分析54-82
• 4.1 地震波选取54-55
• 4.2 结构模态分析55-57
• 4.3 塑性铰57-61
• 4.3.1 塑性铰判定准则58
• 4.3.2 塑性铰参数的定义58-61
• 4.4 动力弹塑性分析初始条件61-62
• 4.5 同一地震波作用下结构的动力弹塑性分析62-79
• 4.5.1 节点位移响应分析62-70
• 4.5.2 结构塑性发展程度70-78
• 4.5.3 最大节点屈服位移比78-79
• 4.6 本章总结79-81
• 参考文献81-82
• 第五章 不同地震波下单榀钢管拱桁架抗震性能对比分析82-102
• 5.1 地震波选取82
• 5.2 计算结果分析82-100
• 5.2.1 节点位移83-91
• 5.2.1.1 地震波X向作用下结构的位移响应分析83-86
• 5.2.1.2 地震波Z向作用下结构的位移响应分析86-88
• 5.2.1.3 地震波X+0.65Z向作用下结构的位移响应分析88-91
• 5.2.2 不同地震波作用下结构塑性发展程度91-99
• 5.2.2.1 地震波X向作用下结构塑性发展程度91-94
• 5.2.2.2 地震波Z向作用下结构塑性发展程度94-96
• 5.2.2.3 地震波X+0.65Z向作用下结构塑性发展程度96-99
• 5.2.3 不同地震波作用下结构最大节点屈服位移比99-100
• 5.3 本章小结100-101
• 参考文献101-102
• 第六章 结论与展望102-104
• 6.1 结论102-103
• 6.2 展望103-104
• 致谢104-105
• 攻读学位期间发表的学术论文105

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