应用CFRP索弦支穹顶结构静力特性分析

为研究新型材料CFRP在弦支穹顶结构中的应用,以2008奥运会羽毛球馆为背景,建立长4 m,高2.6 m的穹顶模型。模型分别采用钢索和CFRP索作为预应力索,通过有限元分析软件ANSYS对模型进行静力分析计算,得到应用CFRP索的弦支穹顶结构内力及位移随加载历程的变化规律。研究结果表明:由CFRP索构成的弦支穹顶结构同样具备传统钢索结构的优点,甚至在影响杆件应力和节点位移方面更优。将为CFRP索代替钢索的弦支穹顶结构的研究奠定基础。     

两种布索方式对双椭型弦支穹顶静力性能影响的试验研究

双椭型弦支穹顶是弦支穹顶结构的一种新型结构形式,它综合了单层网壳结构和索穹顶结构的优点。为进一步研究不同布索方式对双椭型弦支穹顶结构静力性能的影响,对一长轴6.7m,短轴5.1m的双椭型弦支穹顶结构,对影响该结构静力性能的两种布索方式进行了分析,结合试验数据,得出了布两圈索杆时,结构的最大竖向位移、最大环向杆轴力均得到较好的改善,下部索杆体系满布,并不能最好地改善结构的受力性能。     

椭圆平面弦支穹顶静力性能研究

对上部单层网壳为联方型的椭圆平面弦支穹顶网壳的静力性能进行了计算分析。研究了径向索和环索截面、预应力、布索方式、撑杆长度、矢跨比和截面离心率对结构静力性能的影响,将部分计算结果与试验进行了分析。研究表明,在满足一定条件时,采用较长的撑杆、增大环索面积、提高预应力都能减小结构的竖向位移,改善结构的静力性能。     

CFRP索弦支穹顶结构的受力性能研究

将弦支穹顶结构中的钢索替换为更加轻质高强的CFRP索,形成CFRP索弦支穹顶结构。基于北京奥林匹克羽毛球馆中的弦支穹顶结构,分别对钢索弦支穹顶结构和CFRP索弦支穹顶结构进行了静力非线性分析和整体稳定性能分析。结果表明:将弦支穹顶结构中的钢索替换为CFRP索对结构在竖向荷载作用下的设计结果和整体稳定性能影响不大;温度作用下,CFRP索弦支穹顶结构与传统钢索弦支穹顶结构的索内力变化趋势相反,温度作用对钢索弦支穹顶中网壳结构的影响集中在外围边缘区域,而对CFRP索弦支穹顶中的大部分杆件受力均有较显著的影响。     

弦支穹顶结构体系的应用

弦支穹顶结构体系是在单层网壳和索穹顶的基础上发展起来的一种新型复合空间结构,能够发挥单层球面网壳与索穹顶结构两者的优点,弥补两者的不足。目前已有的研究局限于设计理论,少量的工程实践也是试验性的小跨径工程。因此,对大跨度弦支穹顶结构体系及其工程施工技术进行一体化研究具有重要的现实意义。概述了弦支穹顶结构体系产生的背景、定义、特点及工作机理,归纳了预应力索撑体系设置原则。简要介绍了国内外首个大型双层椭圆弦支穹顶——武汉体育中心二期工程体育馆的设计和施工工艺,该工程采用的非常规的安装方法和首次在大跨度弦支穹顶结构体系中通过撑杆调节法来施加预应力,并取得成功,为类似新型空间结构的研究与应用提供了有益的参考。     

一种适用于非圆形建筑平面的新型球面弦支穹顶结构静力性能研究

现有球面弦支穹顶结构主要适用于平面投影为标准圆形的建筑,其结构周圈的支座位于同一标高。当建筑要求的平面为多边形或者由多段不同直径圆弧构成的不规则曲线形状时,现有常规的球面弦支穹顶布置形式无法满足该类建筑的需求。为研究球面弦支穹顶在平面投影为多边形或多段圆弧构成的非标准圆形建筑中的适用性,介绍了一种新型球面弦支穹顶结构体系,该体系适用于非圆建筑平面,通过采用位于不同标高内的支座将受力性能较好的球面弦支穹顶结构应用到平面投影不规则的建筑中。其平面投影轮廓轴线由八段圆弧组成,长轴尺寸89.89 m,短轴尺寸82.674 m,短轴方向矢高4.104 m,长轴方向矢高4.876 m。上层单层网壳采用K8+联方型网格布置,共设置了五道环索和撑杆。研究了矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度等参数变化对该新型弦支穹顶结构的结构位移、杆件内力和支座反力等静力性能的影响规律。研究结果表明:1)随着短轴矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大,新型球面弦支穹顶结构最大竖向位移减小。2)网壳最大轴力随着撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大而减小,不随短轴矢跨比变化。撑杆内力和环索内力随着短轴矢跨比和支座水平刚度的增大而减小,随着环索初拉力的增大而增大,随着撑杆长度和环索截面积变化复杂。环索节点不平衡力随着短轴矢跨比、撑杆长度和支座水平刚度的增大而减小,随着环索初拉力和环索截面积的增大而增大。3)随着短轴矢跨比增大,支座水平反力基本不变,而支座竖向反力减小;随着撑杆长度和环索截面积的增加,支座水平反力减小,而支座竖向反力增加;随着环索初拉力的增大,支座水平反力、支座竖向反力值减小;随着支座水平刚度的增大,支座水平反力增大,而支座竖向反力减小。     

分块布置环索的弦支穹顶结构性能分析

应用MIDAS/Gen软件以平面系数为变量进行计算分析,得出椭圆形弦支穹顶力学性能随平面系数变化的规律。针对常用布索方式的椭圆形弦支穹顶存在的内力分布及节点竖向位移等具体问题,提出一种结构环索布置上的改进形式,即分块布置环索的弦支穹顶结构,并初步研究了其力学性能及稳定性能。通过对两种弦支穹顶结构形式力学性能的对比,提出了新型布索方式的优点,并提出了今后的研究方向及需要解决的主要技术问题。     

弦支穹顶的静力性能分析

介绍了弦支穹顶结构体系的构成．对弦支穹顶模型进行了线性和非线性有限元静力分析，得出了有益的结论：研究了节点刚度、改变弦支穹顶的矢高及环索预拉力对结构性能的影响。研究表明弦支穹顶综合了单层球面网壳和张拉系统的优点，能更有效、更经济地跨越较大的跨度。     

考虑施工因素影响的大跨度弦支穹顶结构性能研究

为准确把握多种施工因素对大跨度弦支穹顶结构静力性能的影响,以济南奥体中心体育馆为例,基于有限元数值分析方法,建立了122m的大跨度弦支穹顶结构模型,计算分析了预应力拉索施工阶段支座的约束状态和预应力拉索施工全过程对大跨度弦支穹顶静力性能的影响以及上层网壳施工安装偏差和施工环境温度对其稳定性能的影响。分析结果表明,上述四类施工因素对该大跨度弦支穹顶结构的静力性能有不同程度的影响,因此,在大跨度弦支穹顶的结构设计与施工过程中,应综合考虑各类施工因素的影响以确保结构在各阶段的可靠度。     

弦支穹顶体系及其静力性能

弦支穹顶结构形式综合了索穹顶和网壳结构的优点,是一种新型空间杂交结构体系：介绍了弦支穹顶结构体系的构成和工作原理,研究了改变弦支穹顶的矢高及环索预拉力对结构性能的影响。研究表明弦支穹顶应综合考虑欠高、预应力的施加等因素的相互影响,该结构的设计可以相应的采取一些优化设计方法。     

双椭形弦支穹顶张拉成型试验研究

双椭形弦支穹顶是弦支穹顶结构的一种新型结构形式,它综合了单层网壳结构和索穹顶结构的优点。通过对一长轴6.7m,短轴5.1m的双椭形弦支穹顶进行模型试验,用有限元计算软件ANSYS对结构成型过程进行了全过程跟踪计算,重点分析了张拉过程中,结构变形、结构内力变化规律,从而验证张拉成型理论方法的正确性、可行性。     

济南奥体中心体育馆整体结构分析

济南奥体中心体育馆下部采用多层混凝土框架筒体结构,上部采用弦支穹顶结构.弦支穹顶的优化与找力分析采用单独的钢结构模型进行,以改善上部单层网壳的内力分布和水平、降低支座水平推力为优化目标,得到索杆体系的自平衡内力.设计中进一步采用整体总装模型进行分析以考虑下部混凝土结构的影响,校核上部钢结构,进行钢、砼结构连接界面构件设计.通过整体分析还研究了混凝土结构的弹性支承刚度退化对上部钢结构特别是拉索预拉力损失的影响及整体结构中弦支穹顶钢结构地震响应的变化规律.     

弦支穹顶初始预应力分布的确定及稳定性分析

弦支穹顶结构体系是基于索杆张力体系和单层网壳而形成的一种新型杂交空间结构体系．本文对这种结构的初始预应力确定方法及其稳定性能进行了深入的理论研究．提出并采用了基于将结构分块的分析方法——局部分析法，并结合弦支穹顶的拓扑关系对初始预应力分布的确定进行了简化．针对联方网格型弦支穹顶结构进行了静力稳定性能分析，结果表明同单层网壳相比，尽管其用钢量增加了近30%，但其极限载荷却提高了266％。结构体系更加合理，具有很好的应用前景。 -     

济南奥体中心弦支穹顶结构施工张拉分析

济南奥体中心体育馆屋盖采用了目前同类结构中跨度最大的弦支穹顶结构.弦支穹顶的施工张拉过程伴随着大位移,张拉模拟具有较大的难度.首先研究了支承条件与温度变化对结构施工张拉的影响,并给出了弦支穹顶的理想张拉成形态.基于索杆体系张拉成形的反分析法,提出了合理的不分级施工张拉方案.根据实际张拉完毕后的现场监测报告,分析了张拉的误差及其产生原因.最后提出了修正的施工张拉方案,并比较了施工的难度与合理性.     

某体育馆屋盖弦支穹顶的设计

弦支穹顶是由上部单层网壳和下部预应力索杆体系组成的空间结构.结合某体育馆屋盖的设计,对采用的弦支穹顶结构进行了静力分析、特征值屈曲分析、非线性屈曲分析.讨论了弦支穹顶设计的基本过程,并对索所需的预应力大小进行了分析设计.计算结果表明,弦支穹顶结构具有良好的受力性能和经济性能,满足建筑造型的要求.其设计主要由稳定性控制,同时,体育场馆的工艺,如设备分布等,对其稳定性也有一定的影响,设计时不能忽略.＃     

火灾下大跨度弦支穹顶结构的性能分析

基于实用大空间火灾空气升温经验公式及预应力钢结构材料高温力学模型,采用考虑时间积分效应的非线性有限元数值分析法,建立了用于大跨度弦支穹顶结构抗火性能分析的数值模型。通过对大跨度弦支穹顶结构的抗火分析,研究结构的温度场分布、位移和应力特征以及支座约束条件对结构抗火的影响。分析结果表明:在火灾作用下,大跨度弦支穹顶结构具有较好的抗火性能,结构的抗火薄弱区域位于上层网壳的中心区域;火灾下引起弦支穹顶结构产生较大变形的主要原因是环向约束作用、材料升温膨胀以及结构刚度的降低。     

济南奥体中心体育馆弦支穹顶结构设计

济南奥体中心体育馆下部采用多层混凝土框架筒体结构,上部采用弦支穹顶结构.弦支穹顶是一种新颖的杂交空间结构,由上部单层网壳和下部索杆张拉体系构成.首先简单介绍了该弦支穹顶结构的结构形式,并采用有限单元法进行了荷载分析、模态分析、线性与非线性稳定性分析等.基于抗连续倒塌的思想,分析了弦支穹顶局部断索后的结构性能.弦支穹顶的施工张拉模拟是结构设计的难点,本文给出了各个张拉状态的控制参数.弦支穹顶的设计中还采用整体结构模型进行分析校核.     

Stress analysis and study on geometry of wheel-spoke shapedpretension structure system

轮辐式张拉结构因其优良的受力性能，在大型体育场馆结构体系的应用中具有独特的优势。为了适应建筑形态的变化，对轮辐式张拉结构几何形态进行了系统分析和研究，以达到结构型式与建筑形态的融合。分别对轮辐式张拉结构的平面形态、屋面形态和飞柱高度等进行了研究，并针对轮辐式张拉结构内拉环边界和建筑内环不重合情况，提出了内拉环作为建筑椭圆边界的内切圆和外切圆两种处理方法。通过分析可知，对于EC型（内环平面为圆形，外环平面为椭圆形）结构，外压环短轴与长轴之比应大于0.8，对于CE型（外环平面为圆形，内环平面为椭圆形）结构，内拉环短轴与长轴之比应大于0.8；屋面马鞍形高差小于15 m 时，宜采用双层轮辐式张拉结构，且高差越小结构的受力性能越好，屋面马鞍形高差大于 15 m 时，宜采用单层轮辐式张拉结构，且高差越大结构的受力性能越好；对于体育场跨度为230~250 m，屋盖悬挑长度为55~60 m，内拉环飞柱的高度宜取14~18 m，飞柱高度12 m以下的结构，其受力性能较差，不建议采用。     

拉索失效后的弦支穹顶结构稳定性能研究

弦支穹顶是近几年迅速发展起来的一种新型空间结构体系,它是一种典型的空间型弦支结构形式.本文总结弦支穹顶布索特点,对弦支穹顶局部拉索破断失效后的结构进行了特征值屈曲分析和非线性稳定性分析,得到了不同拉索失效后的非线性稳定分析临界荷载和一阶屈曲特征值,前者小于后者但在规律上是一致的.最外圈拉索失效对弦支穹顶一阶屈曲特征值和非线性稳定分析临界荷载改变最大,表明最外圈拉索对弦支穹顶稳定性影响最为显著.最后给出了不同拉索失效情况下拉索内力分布图,揭示了某一圈拉索失效后内力重分布情况,可得最外圈拉索在不存在失效单元时索力始终最大,存在失效单元的拉索索力一般最小.这些结果为弦支穹顶结构在抗连续倒塌能力方面提供一定的基础,同时也对弦支穹顶结构的推广应用具有一定参考意义.