肋环人字型索穹顶受力特性及其预应力态的分析法

提出一种肋环人字型索穹顶,其形体构造设有两根人字型撑杆,改变了现有符合Fuller思想的张拉整体类索穹顶,如肋环型、葵花型、Kiewitt型、鸟巢型索穹顶只设单根撑杆即竖杆的特点。肋环人字型索穹顶上、下弦节点的索杆数均为6,与最常见的上下弦节点数为4的肋环型索穹顶相比,可改善结构的稳定性;上下弦节点错位布置,便于铺设环向折线形膜面。针对肋环人字型索穹顶提出确定预应力态的分析计算方法,该法从节点平衡方程入手,推导了不设和设有内孔的索穹顶预应力索杆内力的通用计算式。对不设和设有内孔两种形式特定参数的索穹顶给出了内力计算用表和算例分析。结果表明,结构预应力态杆件内力由内圈至外圈逐步增大,随结构矢跨比增大肋环人字型索穹顶的杆件内力减小。计算结果可供工程设计参考。     

葵花型索穹顶初始预应力分布的简捷计算法

葵花型索穹顶是美国工程师LEVY和JING在GEIGER设计的肋环型索穹顶基础上开发的一种新型穹顶,并应用于1996年亚特兰大奥运会主赛馆的屋盖结构———乔治亚穹顶。由于索穹顶结构的刚度由预应力提供,根据结构初始几何形状、构件的关联关系(拓扑)确定形成一定刚度的初始预应力是索穹顶设计首先要解决的问题。本文针对葵花型索穹顶结构提出了确定初始预应力分布的简捷计算法。该法从节点平衡关系入手,推导了不设和设有内环的葵花型索穹顶预应力杆内力一般性的计算公式。对特定参数的索穹顶结构还给出了内力计算用表。计算结果表明,随矢跨比增加,葵花型索穹顶的脊索、斜索和环索内力减小,竖杆内力增加;对应相同矢跨比,设有内环的葵花型索穹顶结构各类相应杆件内力比不设内环的内力小得多。     

蜂窝双撑杆型索穹顶的构形和预应力态简捷计算法以及参数灵敏度分析

蜂窝双撑杆型索穹顶结构具有以下特点：一是上弦脊索选用了任意等腰六边形的蜂窝网格;二是抛弃了在上下弦节点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,而是在上下弦节点设有倾斜形的双撑杆,这使上弦网格扩大,撑杆和整体结构的稳定性得到提高,可改善施工张拉成形的方便性,结构构形的建筑美和结构美协调融合。依据节点平衡方程,提出了结构预应力态的简捷计算法,推导了预应力态索杆内力一般性计算公式。对90个结构模型进行了分析计算,反映了该种索穹顶预应力态的索杆内力大小和分布规律,同时参数灵敏度分析结果表明,内力分布对矢跨比和是否开孔不敏感,下弦节点位置则影响较大。本文的研讨为索穹顶结构选型、设计和施工提供了一种新思路。     

肋环型索穹顶初始预应力分布的快速计算法

肋环型索穹顶是美国工程师Geigcr根据Fuller的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构，并最早应用在汉城奥运会的体操馆和击剑馆。考虑到该结构是一种轴对称结构，本文提出了确定初始预应力分布的快速计算法．该法从平面径向桁架节点平衡关系入手，推导了不设和设有内拉环的肋环型索穹顶预应力杆内力一般性的计算公式。对特定参数的索穹顶结构还给出了内力计算用表。通过本文提供的分析方法、计算公式和内力计算用表，可方便快速地确定肋环型索穹顶结构的初始预应力分布，为该类结构的进一步设计和力学性能分析提供基础。     

蜂窝四撑杆型索穹顶的构形和预应力分析方法

提出了一种新型的蜂窝四撑杆型索穹顶,它的构形为索穹顶的上弦索是一种蜂窝形网格布置,下弦节点处设有四根撑杆,上弦节点处设有两根撑杆.改变了现有国内外工程应用和研究的索穹顶,如肋环型、葵花型、Kiewitt型、鸟巢型索穹顶的上弦为长矩形条或联方形的网格布设,也改变了上、下节点处只有一根竖向撑杆的特点.完全抛弃了Fuller构想拉索海洋与撑杆(压杆)孤岛的构形.这种蜂窝四撑杆索穹顶具有环索、斜索数量少,撑杆和整体结构稳定性好,施工张拉方便,造型丰富优美等诸多优点.文中还根据节点平衡方程,推导了蜂窝四撑杆型索穹顶预应力态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对比分析,以了解索穹顶预应力态的分布规律和特性.本文研究为索穹顶的设计和选型提供了新形式、新思路.     

蜂窝单撑杆型索穹顶的构形及预应力态的简捷计算法

研讨了一种新型的蜂窝单撑杆型索穹顶结构,它的几何构形为上弦索,是一种蜂窝形网格布置,整个结构仍属于"拉索海洋和压杆孤岛"张拉整体的Fuller构想,但并不要求压杆垂直于水平面,而在径向平面内有一倾角,故可称为蜂窝单撑杆型索穹顶结构。采用节点平衡方程,对蜂窝单撑杆型索穹顶结构的预应力态提出了简捷分析法,详细推导了预应力索杆内力的一般性递推计算公式,并根据若干参数给出了大量的算例计算结果,以了解索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。研究工作可为索穹顶结构的选型和设计提供参考。     

索穹顶结构体系创新研究

我国自2009年开始建有跨度20 m左右的索穹顶,至2016年已建成跨度超百米的索穹顶结构。但回顾国内外所建成的该类空间结构,均属于传统Fuller构想张拉整体类索穹顶。其上、下弦节点只有1根垂直于水平面的撑杆,形式比较单一,如肋环型索穹顶,上弦节点的环向水平刚度较差。为此,提出了Fuller构想单撑杆（不垂直于水平面）类索穹顶,有利于增加结构跨度。并进一步提出了非Fuller构想多撑杆（下弦节点可设置2根、3根、4根撑杆）类索穹顶。这不仅可改善结构传力性能,而且又能减少斜杆（斜索）和环索数量,方便施工张拉成形。若采用多种撑杆（包括单撑杆）且多种方式设置,当上弦选用径向布置时可归纳称之为肋环系列索穹顶,当上弦选用葵花布置时可归纳称之为葵花系列索穹顶。由肋环系列索穹顶和葵花系列索穹顶可构成多种组合形式索穹顶。研究丰富了索穹顶结构形式、体系和类型,为索穹顶的设计和选型提供了新思路、新空间。     

鼓蜂窝四撑杆型索穹顶的结构构形及预应力态分析北大核心CSCD

继鼓蜂窝序列索穹顶创新研究后,进一步探讨了鼓蜂窝四撑杆型索穹顶的三种结构构形及一般性的预应力态分析方法.分析讨论表明:鼓蜂窝四撑杆型索穹顶是一类构形最丰富的索穹顶,在轴对称荷载作用下,均可归属为一次超静定结构,通过建立节点平衡方程组,可简捷求得预应力态的精确解.对开、闭口鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶,文中分别详细推演了预应力态的全过程分析,并对多个参数作了预应力态分布规律和特点的阐释.本文研究为索穹顶结构的选型、设计提供了新思路、新方案.     

大跨度索穹顶新型索撑节点模型试验及性能分析

索穹顶结构的刚度是由索系预应力实现的,预应力损失对结构的安全性具有重要影响,而环索与撑杆相连的索撑节点设计与施工是保证环索实现预应力有效传递的关键技术。以内蒙古伊旗全民健身体育中心大跨度索穹顶结构工程为背景,研发了引入滑动轴承的新型索撑节点,从本质上改变了节点的受力特性,从而减小摩擦损失。通过分析索撑节点的几何构造,对预应力摩擦损失的计算方法进行研究。采用ANSYS对环索和索撑节点进行带摩擦的非线性接触有限元分析,通过模型试验监测数据反算预应力损失,将设计计算结果与实测数据分析结果进行对比。根据研究结果对索穹顶的索撑节点提出如下建议:索撑节点的加工制作应采用精密加工,确保节点几何尺寸严格满足设计要求;在保证加工制作精度和施工质量的情况下,索撑节点预应力损失设计取值为3%~4%。     

Levy体系索穹顶结构的静力性能分析

索穹顶结构是由索、杆及膜组成的新型预应力结构,应用在大跨度空间结构领域。利用大型有限元分析软件(Ansys),分析了结构参数(如环数、每环节点数、矢跨比等)的影响,对60m跨度Levy体系索穹顶结构的静力性能进行了研究。给出了一些合理的结构设计参数取值建议,为Levy体系索穹顶结构的设计以及工程实践提供参考。     

Levy体系索穹顶结构荷载静力性能分析

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、桅杆高度等三个参数对结构静力性能的影响。     

大跨度索穹顶结构抗火性能分析

根据内蒙古伊旗全民健身体育中心工程设计的需要,对大跨度索穹顶结构进行抗火性能分析。以温度-结构耦合为基本方法,基于大空间空气升温模型,考虑高温下材料的非线性,分析了结构在不同火灾工况下的响应,得到火灾下索穹顶结构变形、节点位移、杆件预应力损失的基本规律。研究表明：肋环型索穹顶结构侧向刚度较弱,对偏心火灾敏感,火灾下的挠度超限和侧向变形是导致结构失效和非结构构件提前破坏的主要原因;脊索尤其内脊索是火灾下预应力损失较为严重的杆件,中撑杆侧向位移控制是肋环形索穹顶结构抗火设计的重点。针对肋环形索穹顶结构侧向刚度较弱的缺点,在中撑杆上节点部位加设一道环向杆件进行结构体系的改进,可使结构的抗火性能得到较大改善。     

拉索对索-桁穹顶结构的敏感性影响分析

索-桁穹顶结构中拉索的施工是该种结构的难点和关键点.在实际施工中,拉索的初始预应力值往往难以与设计值完全一致,因此,研究拉索对索-桁穹顶结构的敏感性,指出具体拉索是否具有敏感性,对设计与施工均有指导意义.本文采用正交设计分析法,对索-桁穹顶结构中的拉索按L8建立正交表,分别研究了拉索对该种结构的静力、动力及稳定性的敏感程度.结果表明,外环索对结构的性能甚为敏感,内环索对结构的动应力较为敏感,而斜索对结构的稳定性十分敏感.     

凯威特型索穹顶结构多种张拉成形方案模型试验研究

张拉成形技术属于索穹顶结构的关键技术。为分析比较各种张拉成形方案的施工可行性和方便性,同时深入理解预应力生成机理,对一凯威特型索穹顶结构模型进行了逐步张拉外圈斜索成形、一次性张拉外圈斜索成形及由外及里逐步调节压杆到原长成形等三种成形方案的张拉成形试验,跟踪了张拉成形全过程。试验研究表明：三种张拉成形方案都是可行有效的,其中一次性张拉外圈斜索成形方案施工较为方便;逐步调节压杆长度到原长成形方案精度相对较高;控制构件原长的张拉成形控制技术不仅适用于单整体自应力模态体系,也适用于多整体自应力模态体系;体系预应力伴随着构件的逐步张拉到位而逐步生成。     

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.     

索穹顶结构多种预应力张拉施工方法的全过程分析

索穹顶结构的预应力张拉施工成形过程分析一直是国内外学者研究的热点和难点.本文结合国外已有工程预应力张拉施工方法和国内相关研究成果介绍,以一跨度为122m的索穹顶结构为例,提出了包括逐圈斜索张拉法、仅外圈斜索张拉法、逐圈竖杆顶压法、仅外圈竖杆顶压法、逐圈环索张拉法、仅外圈环索张拉法、逐圈斜索原长安装法等七种预应力张拉施工方法,并采用动力松弛法对采用各种预应力张拉施工方法进行施工模拟全过程分析,为实际索穹顶结构工程的张拉施工提供理论依据和技术支持.     

局部索杆失效对肋环人字型索穹顶结构受力性能的影响

肋环人字型索穹顶是一种突破传统Fuller思想的新型索穹顶结构。以一跨度90m的肋环人字型索穹顶为研究对象,采用向量式有限元方法,模拟脊索松弛和每一类杆件分别破断失效后结构的内力和变位时程响应,通过定义动内力系数、内力变异系数和观察结构主要节点位移来划分各类杆件的安全等级,判断部分杆件失效后结构是否倒塌和是否具有承载能力。计算结果表明,单根杆件的破断均不会引起结构的整体失效,但结构动力响应显著,部分杆件的最大动内力会超过屈服极限。根据计算结果分析可知,环索和脊索的安全等级高于斜索和撑杆,外圈杆件的安全等级高于内圈杆件。