张弦式网壳结构中的拉索预应力值设计方法的应用研究

依据大跨度网壳结构的几何非线性特性,采用几何非线性有限元技术,按预应力控制网壳变形的原则,并结合武汉体育中心体育馆张弦天穹网壳实际工程,对预应力值的设计做了研究,提出了一种新的预应力方法.该方法具有简便实用,具有明确的物理意义,并在实际工程应用中取得了理想的结果.     

预应力网壳结 构的理论与应用研究”项目通过鉴定

2001年2月27日,由我院土木系周学军博士主持完成的山东省教育厅科技攻关计划项目“预 应力网壳结构的理论与应用研究”(项目编号J98E52),顺利通过由省教育厅组织的专家鉴定 , 与会专家对该项目的研究成果给予了很高的评价,一致认为该项研究成果技术含量高,测试 数据可靠,已达到国际先进水平。 　　预应力网壳结构是一种新型空间结构,它将预应力技术引入空间钢结构,拓展了预应力技术 的应用范围。预应力和空间结构可视为土建行业的新技术、新体系,因而二者结合的预应力 空间网壳结构就代表了土建工程中的最新成就。预应力网壳结构目前国内外还少见有系统的 研究,过去的研究也多以解决实际工程问题为目的展开实用性研究,本研究成果将填补国内 外 对预应力网格结构理论研究方面的空白,为实际工程设计和施工提供坚实的理论基础。 　　预应力网壳结构的技术关键是寻找在网壳基本结构中利用钢索所施加的最佳预应力值及最佳 布索方案的选择,即预应力网壳结构的优化设计。最佳预应力值应该是使结构在施加了预应 力后取得最轻设计时的预应力值,也就是说由于预应力的施加,在网壳基本结构中应该产生 最大量的减力杆,少量的中性杆和增力杆。施加的预应力,是人为引进的一种结构控制力, 籍此可对结构在静载作用下的内力和变形进行调整,以达到节约材料,提高结构的整体刚度 和抗震性,降低结构高度及节约工程造价之目的。本研究成果依据结构优化设计的基本原理 ,创造性地建立了最佳预应力值选择的两种数学规划问题,并对其提出逐次逼近的求解技术 ,在约束条件中还考虑了受压杆件稳定问题的处理方法,解决了该课题的技术关键,具有重 大创新性。 　　目前该研究成果已成功地运用于实际工程,取得了显著的社会经济效益,希望有远见的建筑 师和结构工程师能与我院密切合作,共同推进该项科研成果的推广应用。 　　 (土木工程系)     

弦支穹顶结构预应力设计及其抗震性能研究

本文给出了弦支穹顶结构的一种基于平衡矩阵理论和最优化理论的预应力确定方法。通过对不同预应力水平以及不同上部单层网壳截面弦支穹顶的模态分析讨论了该结构体系的动力特性。并研究了弦支穹顶在地震作用下的基本特性,对比分析了相应单层网壳和弦支穹顶的动力响应。分析结果表明：弦支穹顶结构的自振频率随着预应力水平的提高而增大;但随着上部单层网壳刚度的增大,预应力的大小对其自振频率的影响逐渐减小;弦支穹顶的下部张力集成体系（索杆体系）降低了上部单层网壳大部分单元在地震作用下的最大应力,尤其是外层单元的应力。     

六杆四面体双曲面冷却塔网壳的构形、静力与稳定性能

提出由投影面为四边形的六杆四面体所集合组成的双曲面网壳,可以用作大型钢结构冷却塔的主体结构. 探讨该网壳形式的构形,它构造简单,兼具单层网壳与双层网壳的特性. 总结了正交正放与正交斜放2种基本布置形式,对正交正放的双曲面冷却塔网壳进行静力、线性与非线性稳定分析. 结果显示,该网壳内力分布合理,上、下弦杆及顶部环杆在受力上起到不同的作用,分工明确;线性与非线性稳定性能良好,且结构对于缺陷不敏感;网壳具有较好的经济指标,容易实现工业化生产与装配化施工.     

拉索预应力球面网壳的风振性能研究

针对拉索预应力球面网壳在风荷载作用下的动力响应做了系统分析.介绍了拉索预应力球面网壳的结构特点以及风振分析的频域方法,分别从拉索设置、预应力数值的角度比较了其与常规球面网壳在动力特性上的差异.通过大量的算例,分析和考察了布索方式、预应力数值、结构跨度、矢跨比以及屋面荷载等参数对拉索预应力球面网壳风振性能的影响.计算结果表明,拉索预应力球面网壳的风振效应敏感性比普通球面网壳要小,且风振系数分布均匀.     

双层肋环式球面网壳结构预应力优化设计

以拉索预应力空间网壳结构的预应力值P、杆件横截面尺寸变量Ab和拉索截面尺寸变量At以及工程中常用的两种球节点体积为设计变量,以结构自重为目标函数,采用分级优化算法对预应力空间网壳结构进行了优化设计,并采用Algor软件对设计结果进行了验证.通过对比分析,验证了该方法的正确性和有效性.     

双层肋环式球面网壳结构预应力优化设计

以拉索预应力空间网壳结构的预应力值P、杆件横截面尺寸变量Ab和拉索截面尺寸变量A(?)以及工程中常用的两种球节点体积为设计变量,以结构自重为目标函数,采用分级优化算法对预应力空间网壳结构进行了优化设计,并采用Algor软件对设计结果进行了验证。通过对比分析,验证了该方法的正确性和有效性。     

大跨度拱支网壳结构体系及静力性能研究

拱支网壳结构体系是在综合了网壳(网架)及拱结构等的优点的基础上,构思出的一种新型大跨空间结构形式．论述了该结构形式的合理性,提出了该结构体系具有代表性的多种结构形式．再与纯单层网壳对比,就该结构体系的静力性能进行比较分析,并对三个缩尺模型的静力稳定作了试验研究．结果表明该杂交结构能充分发挥两种结构形式的受力特点,整体受力性能在极限承载力、缺陷敏感性、结构延性等方面都得到明显改善,显示出该新型杂交结构体系将具有较广阔的应用前景．     

初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响

通过结构非线性分析程序ＳＮＡＰ，利用“一致缺陷模态法”对单层柱面网壳结构进行了全面和系统的初始缺陷分析，选取了不同几何尺寸的单层柱壳，不同的荷载分布形式，考虑不同大小的初始几何缺陷，最后着重讨论了初始缺陷对单层柱面网壳稳定性的影响，对单层柱面网壳结构的设计有一定的指导意义。     

基于Tabu算法的双层圆柱面网壳结构的优化

将Tabu搜索方法用于双层圆柱面网壳结构优化，以网壳造价最低为目标，对网格尺寸、网壳厚度、矢跨比等网壳结构参数进行了优化计算，算法采用二进制和十进制两种编码方案，并与经典的遗传算法网壳结构优化进行了比较，结果表明：Tabu搜索方法具有更强的全局寻优能力，是一种很有应用前景的网壳结构优化方法．     

自平衡预应力网壳-索穹顶组合结构的设计与分析

目的 为实际工程应用设计一种新的空间结构形式,探讨这种结构的特点及可行性.方法 将已有的大跨度自平衡预应力网壳的研究成果以及悬索结构的理论成果相结合,提出预应力网壳-索穹顶组合结构并设计构件的截面尺寸,利用ANSYS软件进行结构的仿真分析.结果 经过合理的构件截面设计以及反复调整初始预应力,在外载作用下,结构最大的柔性拉杆应力为1332.60 MPa,最大的压杆应力为-258.85 MPa,最大竖向位移为-1.327 m;结构的内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象.结论 自平衡预应力球面网壳-索穹顶组合结构在大跨空间结构应用是可行的.在设计时,应注意综合考虑索穹顶与下部预应力网壳两部分之间的相互影响及各自的受力特点,使结构达到最优.     

复合材料在板锥网壳结构中的应用

板锥网壳结构是一种受力性能合理，技术经济效益良好的新型空间结构形式。采用经典板壳理论，推导出正交叉对称层合板的单元刚度矩阵，对采用复合材料层合板的板锥网壳结构受力性能进行了分析。分析表明，板锥网壳结构采用复合材料新型板材具有更大的优越性。     

单层网壳结构的动力破坏指数研究

为了更加有效地反映单层网壳结构的动力响应特征,建立了一种描述单层网壳结构动力破坏程度的新指标--动力破坏指数,并给出了单层Keiwitt型网壳结构对应不同破坏程度的动力破坏指数分界值.在研究地震作用下单层网壳结构各项耗能的计算方法和变化规律的基础上,结合塑性耗能与最大位移建立了动力破坏指数的表达式,并通过对单层Keiwitt型网壳结构进行大量的参数分析,比较了动力破坏指数同位移、塑性杆件数两个指标的对应关系.结果表明,对于存在局部刚度薄弱的单层网壳结构,动力破坏指数的分析结果更加合理.动力破坏指数是进行单层网壳结构动力响应分析的有效指标.     

空腹网壳结构的静力稳定性与极限承载力研究

针对空腹网壳结构的静力稳定性及其极限承载力问题,应用非线性有限元法进行了研究.采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析两种分析方式考查了空腹网壳结构的屈曲模态和失稳全过程,通过大规模的几何参数分析,计算得到了矢跨比、网壳厚度、腹杆截面等参数取不同数值时的结构极限承我力,并与单层网壳结构进行了对比.结果表明,空腹网壳结构以整体失稳为主,在用钢量相同的情况下极限承载力比单层网壳结构提高2.87倍.空腹网壳结构既具有单层网壳结构简洁美观,又有双层网壳结构的稳定性好和承载力高的优点,是一种优良的结构形式.     

既有大型空间钢结构构件权重计算方法研究

根据既有大型刚性空间钢结构安全性评定的需要,对评定过程中的构件权重确定问题进行了研究.综合传统权重确定方法,在分析既有大型刚性空间钢结构失效机理的基础上,提出了一种适用于此种类型结构构件权重的确定方法.该方法建立了不同类型构件刚度与结构整体极限承载力间的关系,并据此对构件权重进行定量.应用该法获取了某类大型网壳的构件权重,证明了方法的合理性与可操作性,采用该方法得到的构件权重可为既有大型刚性空间钢结构安全性评定提供参数依据.     

TMD减震系统在网壳结构中的应用

简要介绍了建筑结构采用ＴＭＤ系统减振的发展过程研究现状以及在实际工程中的应用。分析了网壳结构在地震作用下采用ＴＭＤ系统减震在理论上的可能性,结合作者的科研成果分析了网壳结构－ＭＴＭＤ减震系统的特点,提出了网壳结构采用ＴＭＤ系统减震的研究思路。     

大跨球面网壳的悬挑安装法与施工内力分析

针对目前我国跨度最大的球面网壳工程，漳州后石电厂123m直径双层球面网壳，所采用的一种新的施工方法－小拼单元悬挑安装法施工技术进行了全面介绍，同时对结构在施工过程中杆件的内力变化进行了全过程的跟踪计算分析。分析结果表明，这种方便、廉价的施工新方法在技术上是可行的，结构在施工中是安全的。工程实践证明，这种用简易的施工机具安装大型网壳的施工方法是成功的。并特别指出网壳工程设计时考虑施工过程的重要性，同时对确定网壳施工方案时应注意的一些问题提出了建议。     

张弦梁结构张拉力确定方法研究

张弦梁结构属于预应力钢结构的一种,在进行拉索预应力导入过程中必须保证施工过程的安全性和完工时的受力状态满足设计要求.因此,必须对张拉索进行张拉过程的索力优化分析和研究,保证对整个施工过程的安全控制.以双向张弦梁为例对比了3种优化方法对张弦梁结构的适用性.经计算分析,得出了张力补偿法为适用于张弦结构张拉力确定的最优方法.结合鹤壁市体育馆预应力空间桁架钢屋盖结构,采用张力补偿法进行了该结构施工阶段分析,得出了高强钢索的内力发展变化规律,验证了张力补偿法在实际大型预应力空间钢结构中的适用性.     

基于健康监测数据和贝叶斯网络的结构失效概率评估

基于健康监测数据和贝叶斯网络(BN)，提出结构体系失效概率的实时评估方法，用于结构整体安全状态的动态评价.根据结构响应监测数据建立贝叶斯动态线性模型(BDLM)，估计结构荷载效应的概率分布，同时结合结构抗力分布，计算构件的时变可靠指标；根据结构主要失效模式构建贝叶斯网络，以描述构件失效与结构整体失效间的依赖关系；通过贝叶斯网络的概率递推从构件可靠指标求得结构体系失效概率，实现结构整体安全状态的量化评估.利用三杆桁架模型的数值模拟数据和某单层网壳结构静力破坏试验过程的实测数据对该方法进行验证.结果表明，所提出的结构失效概率评估方法较好地量化了结构的安全状态，并成功预警了结构体系的破坏.     

浅析技术进步与DEA方法

针对企业在生产经营过程中技术进步的作用问题，借用技术进步指数和技术进步率的概念，把Ｈｉｃｋｓ中性技术进步与ＤＥＡ基本方法结合起来，分析出各投入指标对企业的影响（即技术进步率），并且通过实例说明该方法是行之有效的。