弦支穹顶结构缺陷状态的敏感性分析研究

由于构件制作与施工误差、计算假定与算法误差等情况不可避免的存在,当结构索施工张拉完成后索的实测张力值与设计值存在偏差.为研究各误差因素对结构受力性能的影响,本文对一跨度为50m的弦支穹顶结构建立正交表,分析了环索预应力以及网壳节点竖向坐标位置偏差等因素对结构静、动力性能以及稳定性的敏感性.结果表明,环索预应力对结构静、动力性能影响最为敏感,网壳节点竖向坐标偏差对结构稳定性能影响最大,在施工中需严格控制环索预应力和网壳节点空间位置.     

单层柱面索撑网壳结构的形态优化

索支撑空间网格结构是一种适合于玻璃采光顶结构特点的新型单层网壳结构形式。目前对于索支撑空间网格的研究主要集中在几何建模、网格划分、整体稳定性能和静力性能等方面,在索支撑空间网格结构形态优化方面国内外的研究和应用还相对较少。采用了基于结构整体应变能为目标函数的共轭梯度法对单层柱面索撑网壳结构进行形态优化。首先,介绍了形态优化方法的选取,然后介绍了以应变能为目标函数的共轭梯度法。最后针对单层柱面索撑网壳,以结构的整体应变能为目标函数,曲面高度作为设计变量,结构的位移和矩形钢管的最大应力作为状态变量,采用共轭梯度法,通过调整曲面高度,寻找到了具有最小应变能的高刚度的较优曲面,并对该曲面进行了理论分析。     

基于GH平台的自由曲面形态构建与优化

单层网格结构设计过程中,网格结构往往因形态不同,在竖向荷载作用下产生过大弯矩导致设计困难。本文将柔性结构中找形的概念应用于刚性结构,以某一单层网壳构架为例,提出利用应变能最小为目标以达到曲面优化目的之方法。本研究基于Rhino+Grasshopper(简称GH)软件平台进行分析,过程中考虑自重,采用遗传基因优化算法,完成单层网格结构形态构建,并且通过优化减少因自重引起的弯矩。通过本文优化方法设计的网壳结构与建筑初始曲面外形相似,但承载能力有较大幅度的提高。预期通过本文所提供的方法,可以提高方案过程中建筑—结构配合度,减少设计过程中重复工作,提高设计效率,为设计工作提供新的思路。     

索承网壳结构截面和预应力的优化设计研究

探讨了以预应力和截面尺寸为设计变量的索承网壳结构截面面积与索力同时优化的设计问题。建立了该结构优化设计的数学模型,采用分层优化算法进行求解。第一层以预应力为设计变量,采用基于连续变量的复形法求解;第二层以截面面积为设计变量,采用改进的离散变量两级优化方法求解。算例表明,方法具有较好的计算效率和收敛性,可供索拱结构、张弦梁结构等空间杂交索结构体系的优化设计借鉴。     

新型预应力单层柱面网壳的静力特性和参数分析

利用大型有限元软件ANSYS建立了新型预应力单层柱面网壳结构的有限元模型,分析了特定初始参数下新型预应力单层柱面网壳结构在不同竖向荷载工况作用下矢跨比、撑杆高度等结构参数的变化对结构静力特性的影响,较深入地研究了结构大节点位移和大应力的变化规律,以供参考。     

基于改进应变能法的无环索弦支穹顶拉索重要性评价（英文）

基于上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差提出一种改进应变能法,用于评价无环索弦支穹顶不同部位的拉索重要性。改进应变能法采用上部网壳总应变能变化量峰值作为主要评价指标,其目的是表征断索后上部网壳的最不利状态且避免断索导致的下部预应力索杆体系应变能损失对以结构总应变能为指标的评价结论的干扰。改进应变能法采用上部网壳杆件应变能变化率标准差作为辅助评价指标的目的是考虑上部网壳不同部位应变能变化的分布情况。以含有三层无环索预应力索杆体系的直径100 m的无环索弦支穹顶为例。首先,建立结构有限元分析模型,通过施加预应力和外荷载得到无环索弦支穹顶的荷载态。然后,基于荷载态采用杆件瞬时移除技术完成断索模拟,采用中心差分积分模式的修正拉格朗日列式增量解法求解断后无环索弦支穹顶的杆件内力时程和节点位移时程。同时,基于杆件内力时程和节点位移时程,求得上部网壳每根杆件的应变能时程。最后,在此基础上,求得上部网壳总应变能时程和上部网壳杆件应变能变化率标准差。如果某部位断索后发生了结构连续倒塌,则该位置拉索的重要性排在首位或并列排在首位;如果未发生结构连续倒塌,则根据不同部位断索后的上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差为指标评价不同部位拉索的重要性。比较上部网壳总应变能变化量峰值,当断索后上部网壳总应变能变化量峰值越大,则该部位的拉索重要性越高;当上部网壳总应变能变化量峰值较为接近时,应补充比较上部网壳杆件应变能变化率标准差:上部网壳杆件应变能变化率标准差越大,拉索重要性越高。结果显示:无环索弦支穹顶的所有拉索预应力乘以相同倍数后以及所有拉索的截面面积乘以相同倍数后,采用以结构总应变能作为评价指标的拉索重要性评价结论会随预应力倍数和截面面积倍数的变化发生明显变化。这种现象的主要原因是下部预应力索杆体系应变能下降而上部单层网壳应变能上升,导致结构总应变能变化规律复杂。基于改进应变能法,采用上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差作为评价指标,则拉索重要性评价结论不随预应力倍数、截面面积倍数和上部网壳形式的变化而变化,避免了下部预应力索杆体系应变能下降带来的干扰,且可以有效区分不同部位的拉索重要性。研究表明:基于结构总应变能指标的拉索重要性评价方法不适用于无环索弦支穹顶,提出的改进应变能法可以有效评价无环索弦支穹顶不同部位拉索的重要性。基于改进应变能法分析发现:最外层预应力索杆体系中索力较大,断索的不对称变形导致不同部位拉索的重要性略有区别,拉索的中间段的重要性略小于其余各段;其余各层的索力远小于最外层,不同部位拉索的重要性没有明显区别。不同层预应力索杆体系之间,最外层的拉索重要性最高,向内依次降低。分析中还发现,断索部位附近的网壳杆件应变能变化较为明显,而距离断索部位较远的网壳杆件受到的影响很小;断索仅对无环索弦支穹顶的局部有影响,对结构主体的影响不大。     

后张拉预应力成形鞍形网壳张拉成形及其竖向极限承载力试验研究

介绍了一种新型预应力网壳一后张拉预应力成形网壳,其基本结构形式是单弦杆网架,由单层弦杆和平面外腹杆组成.试验网架在地面拼装,预应力索布置于下弦层,张拉得到鞍形网壳.在前人研究的基础上,对网架模型进行了预应力成形试验研究,测试了应力和变形.对一后张拉预应力成形鞍形网壳模型进行竖向加载试验,静载施加于上弦节点,分级加载.测...     

多索预应力桁架结构优化设计

对影响多索预应力桁架结构优化设计的变量,包括索力值和截面尺寸进行研究。考虑了预应力作用阶段及预应力和荷载共同作用阶段的性态约束条件,建立了以结构重量最小为目标函数的数学优化模型。在求解方法上,用满应力准则法确定索力值和截面尺寸并将索力值的求解转化为线性规划模型。算例表明,方法具有较好的计算效率和收敛性。     

自由曲面单层三角形网格结构抗震性能研究

自由曲面单层空间网格结构作为一种新型结构形式,以其流畅自然的线条、灵活多样的结构形态,广泛应用于各类大型公共建筑中。自由曲面结构通过结构应变能为优化目标,节点坐标为优化变量进行曲面形状优化,以达到较好的静力性能,但优化后曲面的抗震性能,目前还缺乏了解。以自由曲面单层三角形网格结构为例进行结构形态优化研究,通过时程分析法研究优化后自由曲面网格结构在罕遇地震作用下的动力响应,总结其抗震性能。研究结果表明:经过形态优化后网格结构的静力性能得到很大提高;罕遇地震作用下,优化后网格结构最大位移出现位置由中部靠下部位转移到中部靠上部位,且3个方向的最大位移数值均小于优化前的网格结构;网格结构最大等效应力和最大轴向压应力都有一定幅度下降,网格优化和光顺化主要影响的是地震作用下结构的竖向位移,且优化后在El Centro地震波作用下结构最大竖向位移减少近25%,表明形态优化有效提高了自由曲面单层空间网格结构在罕遇地震下的抗震性能。     

位移控制预应力影响矩阵在弦支穹顶找力分析中的研究与应用

弦支穹顶结构由上弦网壳、下弦拉索和撑杆组成,拉索预应力对结构内力和初始形态影响较大,合理确定预应力大小是弦支穹顶结构设计的关键。为此,根据线性叠加原理,将结构受力分解为外荷载作用与拉索预应力作用的线性叠加,提出了基于初应变和位移控制的预应力影响矩阵法。该方法通过依次计算单根环向拉索单位初应变下控制点位移值,形成位移控制预应力影响矩阵,计算竖向荷载下控制点位移值,建立相应的控制方程,求解控制方程得到各圈环向索对应的初始应变。弦支穹顶结构在所得初应变和外荷载下的索力就是在该荷载下的预应力值。结合某工程的深化设计,利用基于初应变和位移控制的预应力影响矩阵法对该工程实例进行了分析计算。结果表明,利用该方法计算出的初应变,可以保证竖向荷载下控制点的位移值小于2 mm,该计算方法物理意义较明确,计算较简便,准确度较高,可为类似工程的找力分析提供参考。     

预应力影响矩阵法在网壳结构张拉控制中的应用

预应力网壳结构在张拉时索力互相影响,需要分级、多次张拉才能达到设计索力值,给施工带来困难。根据位移法原理和静力平衡条件,提出了张拉控制的预应力影响矩阵法。该方法通过计算预应力影响矩阵和竖向荷载下的索力值,建立相应的控制方程,求解各索在张拉过程中目标张力值对应的初始应变。利用预应力影响矩阵法对一工程实例进行了计算,结果表明:利用该方法计算出的初始应变对索进行一次张拉就能得到满足工程设计和施工精度要求的张力控制值,实现控制点相应位移的精确控制,验证了该计算方法的正确性和工程应用的可行性,可为类似工程的张拉控制提供参考。     

某锥形穹顶半刚接单层网壳分析与设计

以某图书馆的锥形穹顶单层网壳为研究对象,分析其受力变形性能和整体稳定性能.对比研究了不同截面方案和节点假定对网壳构件承载力、屈曲特性和极限承载力的影响.采用多尺度有限元分析方法,真实模拟节点性能,与节点刚接、铰接模型的计算结果进行了对比.结果表明:采用钢管非加劲相贯焊连接的单层网壳为典型的半刚接网壳,合理的杆件截面设计可使其整体稳定性能接近于节点刚接模型;节点铰接会改变单层网壳的屈曲形态,使结构整体协同性能严重弱化或丧失;多尺度有限元分析方法是判别节点刚度和承载力的有效方法,可真实反映节点性能对整体结构性能的影响.     

去索对无环索弦支穹顶静力性能的影响规律研究

无环索弦支穹顶结构的下部预应力索支体系较为繁冗,影响其整体受力性能且给施工造成一定困难,需要进行合理优化。以某体育馆60m跨屋盖为实例,研究去索对无环索弦支穹顶结构静力性能的影响。针对原结构下部三层预应力索支体系,设计了四种去索方案,综合分析不同去索方案对上部网壳结构总应变能、整体结构最大竖向位移和承载力的影响程度,确定最优去索方案。模拟最优去索方案对无环索弦支穹顶结构进行静力性能参数分析,研究撑杆高度、拉索索力、初始几何缺陷对结构刚度和承载力的影响。结果表明：去索位置越靠近中心,对上部单层网壳总应变能影响越小,对结构刚度和结构承载力的削弱越小,节约用钢量越少;去除第三层索对上部单层网壳应变能、结构刚度和承载力影响很小,建议在优化时优先考虑去除第三层索;第一层撑杆高度和第一层拉索预应力的增加可以使结构整体结构刚度显著变大,对结构承载力影响不大而对失效模式影响较大;第二层撑杆高度的变化对结构刚度无影响,对结构承载力和失效模式影响很小;第二层拉索索力的变化对结构刚度和承载力影响不大而失效模式影响较大;建议在优化时优先考虑调整第一层拉索和撑杆;初始几何缺陷对结构承载力影响较大,初始缺陷越大结构承载力越低,而对结构失效模式影响不明显。     

预应力双向网格单层网壳结构整体稳定性分析

预应力双向网格单层网壳结构是通过在双向网格单层网壳结构内置入预应力索单元而形成的杂交结构,它能显著提高单层网壳结构的整体稳定性能。本文设置了三种预应力索单元的配置模式,分析预应力索截面积和索内预应力值的大小对结构整体稳定性能的影响,并与对应单层网壳结构进行了比较,体现其稳定性能方面的的优越性。     

基于应变能密度的网壳结构抗震性能参数分析

基于结构应变能密度对单层网壳进行地震响应特性分析,提出了反映结构稳定工作状态特性的新型参数 ,即指数应变能密度和值参数。首先,绘制单层网壳在地震作用下的各种响应分布云图及响应曲线图,展示了既 有的参数形式不能完全地表征结构的整体工作性能,特别是结构进入弹塑性工作阶段,这些参数难以体现结构与 外荷载之间稳定和确切的工作特性。其次,尝试将所有单元的指数应变能密度相加,得到能够表征结构整体受力 状态的指数应能密度和值参数。通过考察该参数在结构弹性和弹塑性工作阶段随地震动强度变化的规律,鉴证了 指数应变能密度和值参数能够反映：结构工作状态的稳定性特征、结构从工作状态到失效状态的突变特征、以及 失效状态的不稳定性特征。最后,根据观察所揭示的单层网壳工作特征,并结合最大节点位移参数,建议单层网 壳动力破坏等级划分及分界指标,为深入进行单层网壳抗震分析和设计规范的改进提供参考。     

基于应变能密度的单层球面网壳结构失效判定准则

进行基于应变能密度的单层球面网壳地震作用下工作行为分析,意在给出一个合理且较为精确的判断结构动力失效准则。首先,对理想单层球面网壳结构的对数应变能密度(LSED)、以及有初始缺陷的单层球面网壳结构的指数应变能密度(ESED)与加速度幅值(A)关系进行理论推导,给出单层球面网壳应变能密度的表达式,奠定判定其失效的理论基础。然后,应用通用有限元程序对典型单层球面网壳在地震荷载作用下的动力反应进行全过程响应分析,并时时提取出各级动荷载幅值下的所有单元的应变能密度。进而,进行结构应变能密度走向特征分析,揭示单层网壳结构的整体塑性应变能密度积累到一定程度时,结构应变能密度-地震加速度幅值曲线产生转折点。最后,据此特征提出基于结构能量密度的失效荷载判定准则,并与现有判定准则进行比较。     

北京新机场装配式单层铝合金网壳结构整体稳定性能研究

以北京新机场装配式单层铝合金网壳结构作为研究对象,建立了其装配式节点——板式节点及考虑节点性能的单层铝合金网壳的有限元模型,分析了板式节点的力学性能及节点性能对单层铝合金网壳稳定性能的影响。研究表明：板式节点刚度良好,破坏表现为不锈钢拉铆钉剪切破坏、连接板拉剪破坏和杆件在螺栓孔处承压破坏;北京新机场装配式单层铝合金网壳结构的整体稳定性能良好,承载力约为刚接网壳结构的90%,满足JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》的要求;由于铝合金材料无明显的屈服台阶,弹性模量较小,考虑几何非线性和材料非线性的稳定承载力比仅考虑几何非线性的稳定承载力降低约30%,结构发生弹塑性失稳,结构失稳形态表现为网壳结构在靠近长轴右端出现凹陷。     

局部单双层网壳的初步优化

局部单、双层网壳结构的设计涉及截面、形状和拓扑优化。为满足初步设计对计算效率的要求,采用均匀设计法来实现结构的多级别优化。实验设计使用现有的网壳结构设计软件,对计算结果进行回归分析,得到指标（用钢量、变形、基频和最小非线性屈曲荷载）与变量（网壳矢高、单层部分范围和单层部分杆件设计应力比）之间的近似函数关系。求解简单的规划问题,得到变量之间的最优水平组合。一个点支承六边形局部单、双层网壳的比较设计说明了方法的效率和可靠性。     

TMD系统在单层球面网壳竖向减震中的应用北大核心

随着空间网格结构朝着大跨度、大空间的方向发展,结构在竖向地震作用下的响应不容忽视。为降低单层球面网壳在竖向地震作用下的结构响应,采用TMD系统对其进行竖向减震控制。以K8型单层球面网壳为研究对象,基于Kanai-Tajimi过滤白噪声模型合成了4条代表不同场地类别的激励波进行动力时程分析,以结构最大节点位移、最大Mises应力和最大加速度综合减震率为参考指标,探求了TMD质量比、调谐频率、阻尼比等参数对减震效果的影响规律,并优化分析了TMD系统在网壳上的布置位置。对网壳结构进行了矢跨比参数分析,比较发现:网壳矢跨比分别为1/7、1/5和1/3时,TMD系统减震效果呈随矢跨比增大而下降的趋势。建议TMD系统应用于单层球面网壳上时,其矢跨比不宜大于1/5。     

单层网壳装配式节点研究现状

单层网壳结构应用广泛,具有很强的生命力,其中自由形态曲面网壳炙手可热.在社会经济发展和国家战略支持的背景下,单层网壳结构的装配化发展已是大势所趋.钢框架结构的装配化发展更早更成熟,相关研究方法、研究思路和部分成果是单层网壳装配式节点研究的"他山之石".文中概述了现有网格结构各种装配式节点的发展与应用,并从节点力学性能和节点刚度对整体结构影响两方面,重点介绍了单层网壳结构中各类装配式节点的相关研究现状,梳理了部分重要结论.最后,进一步展望了单层网壳装配式节点的发展方向,并总结了现有研究的不足.