基于遗传算法的脊杆索穹顶优化设计

为了降低实际工程中索穹顶结构的造价,提出了一种基于遗传算法的优化设计方法,将预应力倍数和构件截面作为离散设计变量,在目标函数中考虑了结构的施工张拉程度.以Geiger和Levy两种索穹顶作为算例,得到了在多种荷载工况下满足结构应力和位移约束的索穹顶最小造价,并研究了预应力对优化结果的影响.将索穹顶的脊索替换为可受压的钢杆后,对改进方案——脊杆索穹顶进行了优化设计,并与原结构对比了结构造价和力学性能.结果表明:该方法能够高效准确地得到造价最小的索穹顶结构,各构件内力比较接近其极限设计状态;有必要在索穹顶的设计过程中考虑预应力分项系数和活荷载不均匀分布等因素,以满足结构稳定性和单根构件承载力的要求;采用钢杆替换脊索,使索穹顶结构的总造价稍有降低,并显著降低了结构挠度和支座反力.     

肋环型索穹顶结构的几何法施工及工程应用

针对索穹顶结构张拉难于控制和安装技术要求高的问题,提出一种只需张拉端部斜索的肋环型索穹顶结构施工成形方法.根据肋环型索穹顶结构竖压杆、脊索和斜索之间的几何关系,计算安装过程的竖压杆临时标高,设计并采用几何法安装了中国第一座索穹顶结构,验证了该施工成形方案的可行性.结果表明,几何施工法只需张拉端部斜索,索穹顶结构会自动成形,不需要大规模调整拉索的预应力,降低了施工技术要求,使索穹顶结构有可能得到普遍推广.     

索穹顶结构的有限元法分析和张拉施工方法

回顾了全张力体系的概念以及索穹顶结构的发展历史,介绍了索穹顶结构的优缺点．以有限元分析理论为基础,采用五节点空间曲线索单元的非线性有限元法分析推导了索穹顶结构的非线性位移关系、几何关系、物理关系、本构关系以及平衡方程．最后结合模型和工程实际,提出索穹顶结构的张拉施工方法．     

索穹顶结构体系若干问题研究新进展

对索穹顶结构的若干问题最新研究成果进行了汇总和探讨,主要内容包括索穹顶结构体系的改良和创新、结构初始预应力确定、施工成形分析、模型试验和敏感性分析,并提出了结构动态设计、新体系新材料应用、流固耦合、气动形态优化与控制、自适应可调节技术等进一步研究方向,为深化该体系研究和实际工程应用提供理论基础.     

索穹顶结构初始状态确定与成形过程分析

在研究索穹顶结构的零应力状态、施工初始几何状态基础上,着重分析了索穹顶结构的施工成形过程几何形状和单元内力变化规律,揭示索穹顶结构的初应力产生机理以及施工过程中体系的变化特征.由于索穹顶结构成形过程涉及机构运动和单元内力分析、机构位移和弹性变形耦合,采用常规的有限元方法不能求解,而非线性有限元力法是一种有效的计算方法.结果表明,在索穹顶结构成形过程中,从开始很长时间内所有单元内力均处于较低水平,此时结构是一种机构状态,节点位移主要是刚体位移.当所有索进入工作状态时结构的体系从机构转变为具有一个自应力模态的、可刚化的稳定体系,各单元的内力迅速增大.说明了索穹顶结构的成形过程,也是预应力生成的过程.     

T型三撑杆索穹顶预应力计算方法与参数分析

针对传统索穹顶构造形式单一及环向刚度弱的缺陷,提出一种T型三撑杆索穹顶.采用节点平衡法与求解超静定结构的位移法相结合的方法,推导出T型三撑杆索穹在考虑自重情况下结构初始预应力分布的计算公式;对索穹顶结构进行参数分析,讨论了矢跨比和撑杆高度对结构初始预应力分布的影响,给出了结构在忽略自重的情况下初始预应力计算表,得出了适用于T型三撑杆索穹顶结构的参数合理取值范围.研究表明,T型三撑杆索穹顶结构初始预应力与矢跨比、撑杆高度均成反比,撑杆高度的影响程度更大,该结构适宜矢跨比为1/20～3/20,适宜撑杆高度为斜索角度tan10°～tan20°时的取值.     

索穹顶结构的计算分析和节点与构件控制

回顾了索穹顶结构的发展历史，并介绍了索穹顶结构的形态、特性和优点；对其成形进行了分析和设计；用非线性有限元理论对索穹顶结构进行一些非线性分析；讨论了索穹顶结构在实施技术中的节点设计、整体张拉控制技术问题；最后展望了索穹顶结构的发展应用前景。     

索穹顶结构有限元分析及试验研究

针对索穹顶结构的受力性能,采用二节点直线杆单元和新型二节点曲线索单元建立了索穹顶结构混合有限元计算模型,对是否考虑拉索自重垂度进行了比较分析.通过对一直径为5 m的肋环型索穹顶模型的实验研究,得到在不同荷载情况下结构的内力和变形规律.实验结果表明,材料下料长度的确定和符合计算模型的节点设计是实际工程设计中的关键问题.实验结果说明了此有限元模型具有较好的精度.     

索穹顶的施工张拉及其模拟计算

介绍了索穹顶结构的连接方法、施工张拉过程及其模拟计算 ,并按模拟计算工序和参数架设了索穹顶模型 .实施操作与测试结果证明了施工张拉及其模拟计算的可行性和正确性 .     

索穹顶结构施工过程时变力学分析

为了解决索穹顶结构施工过程分析的难题,应用非线性时变有限元方法对索穹顶结构施工过程进行了分析,全过程跟踪分析索穹顶结构在各施工阶段的力学性状,得出施工过程杆件内力和节点位移的演变规律,得出不考虑施工过程的时变效应对结构设计偏于不安全的结论,为该类结构的设计和施工提出指导性建议.     

倾斜撑杆式索穹顶结构静力性能分析

针对现有Geiger体系和Levy体系索穹顶结构存在的不足提出一种改进型的索穹顶结构体系——倾斜撑杆式索穹顶,并对60 m跨度模型进行结构形态分析、静力性能分析,得出结构设计参数:矢跨比(1/8、1/10、1/15)、每环节点数(12、14、16)、斜索与水平面夹角、构件截面面积、名义初始预应力水平对结构的预应力分布、刚度、材料用量等的影响规律.     

索穹顶结构动力特性及多维多点抗震性能研究

为了弥补索穹顶这种新型大跨空间结构在动力方面研究的不足,通过对120 m跨度的肋环形索穹顶结构进行模态分析,得到了不同的参数对索穹顶结构的自振频率影响曲线;通过对其进行时程分析,发现了地震动的行波效应对结构的节点位移和杆件内力的影响规律,以及考虑多维地震与仅考虑地震单向输入之间的差别,为大跨空间结构的抗震设计提供了重要参考.研究表明,多点输入对于行波方向的位移影响显著,同时,对单元内力产生不利影响,因此,大跨度空间结构抗震分析中考虑行波效应与多维地震输入是必要的     

Levy体系索穹顶结构荷载态静力性能分析

文章分析了Levy体系索穹顶结构在使用阶段的受力性能,着重讨论了在均布荷载工况下,初始预应力幅值、矢跨比、桅杆高度等3个参数对结构静力性能的影响。     

劲性支撑穹顶结构找形分析

针对索垂度在施工成形过程中不可忽略的问题,采用悬链线单元模拟索,依据胡克定律、小应变假设和变形协调方程等条件,推导了索原长的计算公式,给出了一种已知任意一个正值求解索原长度的二分法。在正交索网结构中,采用该二分法求得的索原长与已知条件给出的索原长进行对比,其误差均不超过0.16%,且不同初始值计算得到的索原长差别不大。针对劲性支撑穹顶结构的找形分析问题,给出了一种FEDR法,即有限元动力松弛法,以期提高动力松弛法的计算精度和可靠性。给出了找形分析的求解策略,并通过FORTRAN语言和ANSYS的APDL语言编制找形分析程序。对正交索网和跨度为71.2m设两道环杆的肋环型劲性支撑穹顶结构进行找形分析,ANSYS有限元分析与FORTRAN语言找形程序求得的杆件内力进行对比,其误差均不超过0.42%。