张拉整体结构的预应力优化

张拉整体结构属于一种崭新的张拉结构体系，结构中索单元的初始预应力在结构的成型态和荷载态都起着关键作用。本文应用最优化原理，提出了张拉结构中索单元初始预应力的优化调整方法，通过对一张拉整体索穹顶模型结构的分析比较，验证了本文调整方法的合理性。     

一种索穹顶结构初始预应力分布确定的新方法—预载回弹法

对索穹顶结构初始预应力分布的确定进行了研究,提出一种新方法—预载回弹法。该方法首先对索穹顶施加一个预设荷载,提取有利于抵抗预设荷载的内力分布。将该组内力作为预应力施加至结构上,并撤除预载,使结构回弹,通过两阶段变弹性模量迭代计算,收敛后可获得索穹顶结构的整体可行预应力分布。该方法通过施加对称荷载,即可自动实现单元的分组,便于整体可行预应力的判定,并可直接获得多自应力模态结构的优化初始预应力分布。通过算例证明预载回弹法具有很高的精度、较快的收敛速度,求得的整体可行预应力分布直接适用于实际工程应用。     

空间三撑杆双环索索穹顶考虑自重的预应力计算方法及参数分析

基于传统索穹顶构造形式的单一性和力学性能的不足,提出了一种空间三撑杆双环索索穹顶。提出了一种基于位移法与节点平衡法结合求解索、杆预应力的方法,并运用该方法计算比较了该索穹顶结构在是否考虑自重情况下预应力分布的差别;给出了索穹顶在考虑不同参数影响下的预应力计算表,对比了各种参数对结构性能的影响。结果表明:在考虑结构自重情况下,该索穹顶绝大部分索、杆预应力值都有不同程度的增大;撑杆高度与矢跨比的增大,会导致索穹顶结构中几乎所有构件的初始预应力值呈现减小的趋势,但增大撑杆高度相较于增大矢跨比影响更大。因此,在实际工程中,更多采用增大撑杆高度的方案。     

两种体系索穹顶结构的破坏形式及其受力性能研究

索穹顶结构是美国工程师Geiger根据Fuller的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构。目前,国内外对索穹顶结构的初始预应力分布、结构静动力性能等进行了比较全面的研究,但是一般以索单元的松弛和破断作为结构失效的标准,有关该类结构的破坏形式以及部分索松弛或破断后的受力性能研究却很少涉及。以Geiger及Levy体系索穹顶结构为例,探讨了索穹顶结构可能存在的破坏形式,分析了部分索退出工作后的结构受力性能,并对两种体系的受力情况作了比较。得出的结论对该类结构的进一步研究和工程应用具有指导意义。     

蜂窝三撑杆型索穹顶结构构形和预应力态分析研究

该文详细研讨了一种新颖的蜂窝三撑杆型索穹顶,索穹顶结构的上弦索平面投影为蜂窝状网格,与下弦节点相连的有三根撑杆。不采用上下弦只有一根垂直水平面撑杆的"拉索海洋和压杆孤岛"传统张拉整体Fuller构想。这种新型蜂窝三撑杆型索穹顶的提出,即减少了环索与斜索用量,又提高了撑杆及结构的整体稳定性。该文对索穹顶预应力态采用节点平衡方程,详细推导和建立了蜂窝三撑杆型索穹顶索杆内力的一般性计算公式,对若干参数的索穹顶给出了索杆预应力的计算用表和大量的算例分析,以诠释索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。该文的研究为索穹顶结构的选型和设计提供了一种新方案、新形体。     

联方型双撑杆索穹顶考虑自重的预应力计算方法

为了改善传统索穹顶结构的受力性能,该文提出了一种联方型双撑杆索穹顶结构,该索穹顶的上弦节点与两根斜撑杆相连,稳定性好并且便于张拉施工。针对联方型双撑杆索穹顶的找力分析问题,根据节点平衡方程,推导出考虑结构自重时索穹顶的预应力计算公式;给出了不同参数下联方型双撑杆索穹顶的预应力计算表,分析了该结构的受力特性;比较了考虑结构自重和不考虑结构自重时索穹顶初始预应力的差别,并采用有限元迭代法对比验证了理论公式的准确性。分析结果表明:随着矢跨比和撑杆高度的增大,结构中所有构件的初始预应力将减小;在自重荷载下,内圈脊索内力降低,最外圈斜索和环索内力显著增加;采用该文提出的理论公式可快速准确的获得考虑结构自重时联方型双撑杆索穹顶的实际预应力分布,为工程设计提供参考。     

新型索杆预应力结构体系及其应用研究

本文在总结预应力网壳和索穹顶结构的基础上，给出了兼有上述二种结构优点的新型索杆预应力结构体系，分别给出了圆形平面、环形平面及矩形平面的各种形式，可供设计人员选用，此外还介绍了一直径为90m的新型索杆穹顶结构的工程应用。     

单双撑杆交错式索穹顶结构静力性能分析

针对传统索穹顶结构存在的脊索易松弛、网格划分不均、环向刚度较弱等问题,提出了一种单双撑杆交错式索穹顶结构。建立Midas模型分析了该结构在全跨和半跨均布竖向荷载作用下的受力特性,进一步研究了结构基本参数对单双撑杆交错式索穹顶结构的内力和位移的影响规律。分析结果表明,单双撑杆交错式索穹顶结构在全跨和半跨均布竖向荷载作用下具有良好的静力性能,各索均不易松弛,结构整体刚度大。给出了初始预应力和矢跨比的建议取值范围,为单双撑杆交错式索穹顶结构的工程设计和应用提供参考依据。     

索穹顶结构施工成形及荷载试验研究

通过对一直径为4.8m的Levy型索穹顶模型的成形和荷载试验研究,得到了在成形过程中和不对称荷载作用下结构的内力和变形规律。试验结果表明:单元的初始下料长度、重力作用效应、预应力损失等均是实际工程设计中的关键问题。试验结果证实了作者提出的成形和找力分析方法可以满足索穹顶结构张拉成形要求,试验结果还证实了索穹顶结构的非保守性能。     

星形四面体型索穹顶构形和预应力分析方法

为解决传统索穹顶结构环向刚度不足以及脊索网格布置不均等问题,提出了一种星形四面体型索穹顶,该索穹顶脊索环向连续布置,增加了结构抵抗不均匀荷载的能力。脊索网格水平面投影为星形单体且投影面积相同,从而保证了上弦脊索网格的均匀性,提高结构整体稳定性。针对该索穹顶结构的找力分析问题,方便了解各索杆预应力分布规律,利用节点平衡法与位移法,给出了结构在理想状态下初始预应力计算公式,计算了结构在不同矢跨比下索杆初始预应力,并给出了该结构的合适矢跨比与撑杆高度,为该结构的进一步研究和力学性能分析提供了依据,同时对该结构进行了全跨均布竖向荷载作用下的静力性能分析。结果表明:随着矢跨比和撑杆高度的增加,各索杆内力值均逐渐减小,结构矢跨比宜为1/10～1/8.5,所对应的撑杆高度宜在Δtan 15°～Δtan 20°,在此情况下结构具有较强的承载能力与良好的力学性能。     

Shape finding of cable systems using nonlinear displacement analysis approach

Abstract

An efficient method for finding initial shape of cable system by nonlinear displacement analysis is presented in this study. The supports of a cable system are first moved from a reference position to the specified boundary and the equilibrium position is then determined by the Newton‐Raphson iteration method. During analysis the large displacement effect is taken into account. The determined shape provides the geometry as well as the prestress distribution of the cable system. In general, the prestress of cable members may be too large or too small in the equilibrium position. So some modifications must be carried out in order to obtain a reasonable initial shape with suitable element length and prestress distribution. This method works well and can be applied to any cable system having an arbitrary form.     

工程随机因素对索网结构初始形状确定的灵敏度分析

考虑了张拉结构找形过程中的不确定性,将这些不确定性用随机变量表示。在预拉力给定的索网结构形状确定的特殊拉索单元法的基础上,推导了等效外力向量、等效单元不平衡力向量和单元切线刚度矩阵的偏导计算式,建立了初始平衡状态几何向量的灵敏度计算迭代格式。根据平衡几何向量的灵敏度和索段长度的灵敏度,计算出索网零状态时,索段放样长度对随机变量的灵敏度,并进一步求出了放样长度均匀性的灵敏度。以此为依据,对设计参数进行修改,使索网放样长度更均匀,便于施工安装。此方法同样也可用在放样长度给定的索网找形分析中,使得其初始平衡状态的预应力更均匀,提高索网的受力性能。     

索杆张力结构初始预应力分布计算方法研究

索杆张力结构是具有预应力自平衡的结构体系,具有静不定、动不定特征。初始预应力分布的计算是张力结构受力分析的基础。该文从力密度法表示的基本平衡方程出发,采用线性调整理论,利用最小二乘解,推导出张力结构找形分析列式,建立了结构的初始预应力分布计算方法。用MATLAB语言编制了程序并进行数值分析,算例结果表明该文分析方法正确、有效。     

注汽井套管的三轴预应力设计

以暴露于热蒸汽中的目的层套管为研究对象,根据弹性力学理论,首先给出了套管在热应力和非均匀地应力作用下的三轴应力表达式,然后利用对套管施加预应力来降低套管的轴向热应力,以使得套管的有效应力控制在相应温度下套管的最小屈服极限内为原则,得到了热采井套管三轴预应力设计方法,并对辽河油田常用的N80钢级套管进行了预应力设计分析,给出了该套管在不同注汽温度和井深条件下所应使用的径厚比及相应的预应力值。研究表明,在实际注汽过程中适当增加注汽压力可以提高套管的安全性,传统的单轴预应力设计及只考虑热应力的三轴预应力设计结果偏于保守,建议以后注汽井在进行预应力设计时应考虑热应力和实际非均匀地应力的共同作用。     

考虑接触点摩擦的索滑移行为分析

连续索在接触点处滑移时会受接触点摩擦的影响,导致连续索在接触点两侧索力不相等。张拉连续索施加预应力时,接触点处的摩擦力使远离张拉端的索段预应力存在一定程度的损失。针对索在接触点处滑移时的摩擦问题,该文采用有限质点法,将连续索离散成相互联系的质点集合,质点间通过索单元连接,滑移索单元内力根据接触点力传递系数和索单元原长不变原则求解。该文推导了考虑接触点摩擦的滑移索单元内力求解公式,提出了索滑移判定准则,并给出了接触点力传递系数计算方法,通过自编程序对算例进行计算分析,验证了考虑接触点摩擦的滑移索单元的正确性和合理性。