2008奥运会羽毛球馆索撑节点预应力损失分析研究

2008奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构采用张拉环索的方式施加预应力,环索与撑杆相连的索撑节点的设计、构造与施工是保证环索实现预应力有效传递的关键技术。本文分析了索撑节点的几何构造,对预应力摩擦损失的计算方法进行了研究。利用ANSYS对环索和索撑节点进行了带摩擦的非线性接触有限元分析,并通过实际施工监测数据反算了预应力损失,将设计计算结果与实测数据分析结果进行了对比,并分析了预应力损失值偏大的原因。对张拉环索的弦支穹顶索撑节点提出如下建议:索撑铸钢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;索撑节点构造应进行改进,减小环索张拉时的预应力损失;在加强加工制作精度和施工质量控制的情况下,建议索撑节点预应力损失设计取值为5%~6%左右。     

2008奥运会羽毛球馆新型弦支穹顶预应力大跨度钢结构设计研究

2008奥运会羽毛球馆屋盖钢结构采用弦支穹顶结构体系,由上弦单层网壳、下弦环索与径向拉杆、竖向撑杆组成。在设计中建立屋盖钢结构和下部看台结构整体有限元计算模型进行结构分析。在综合考虑工程的重要性、结构几何力学特点、预应力损失、施工缺陷等多种因素的基础上,对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等工况进行组合,分别进行结构施工阶段及结构使用阶段的内力、变形和体系稳定分析。在大量计算和分析基础上,对结构几何体系和构件进行了优化设计。在设计中运用单元逐次激活技术,模拟预应力张拉施工过程,并考虑施工临时脚手架刚度的影响进行施工模拟分析。对于索撑节点采用三维实体有限元分析方法,运用接触分析技术,计算索撑节点预应力摩擦损失,并结合施工监测,确定预应力损失值;采用非线性弹簧系统,模拟索撑节点预应力损失并研究了其对整体结构的影响。     

弦支穹顶结构滚动索撑节点力学性能研究（英文）

弦支穹顶结构在预应力施工过程中环索和索撑节点之间的摩擦力会产生可观的预应力损失,并且会导致施工完成后弦支穹顶结构的预应力分布显著偏离设计状态,从而明显削弱弦支穹顶结构的性能.本文提出了一种可用于弦支穹顶结构的滚动式索撑节点,并通过试验和有限元分析研究了这种新型索撑节点的预应力损失和力学性能.根据试验数据,对比传统的索撑节点发现,新型的索撑节点可以减少预应力损失从21.65%到10.85%.除此之外,试验结果和有限元分析结果均表明新型索撑节点的力学性能安全合理.因此,在弦支穹顶结构未来的设计中可以推广这种滚动式索撑节点.     

预应力损失对索穹顶静力性能的影响

采用张力补偿法模拟逐层双环索穹顶结构环索预应力张拉施工.考虑施工滑移索摩擦影响,讨论了结构存在环索预应力损失的条件下的静力性能,并与传统索穹顶结构在相同条件下的静力性能进行了比较研究,得到一系列对实际工程应用和进一步研究有借鉴意义的结论.     

施工滑移索的数值模拟

考虑环索与节点间存在摩擦,采用变索原长法对弦支穹顶结构每圈环索在3处进行对称同步张拉施工数值模拟,计算分析了结构在张拉施工阶段环索的滑移,得到了各状态下索的张力分布.分析结果表明,环索与节点间的摩擦导致结构张拉完成后环索张力分布不均匀.在实际工程设计和施工中,应通过改进节点构造、施工方法等措施尽量避免或降低摩擦问题对结构受力性能带来的不利影响.     

2008奥运会羽毛球馆预应力损失对结构体系影响分析

2008奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构采用张拉环索的方式进行预应力施工。由于加工制作安装技术难度大,环索与撑杆相连的下节点之间的实际预应力损失比设计取值偏大,引起环索各段索力不均。本文通过在环索节点和撑杆下节点间耦合自由度并增加变刚度弹簧单元来模拟预应力张拉时环索带摩擦滑移,利用此方法可以在有限元模型中模拟施工监测得到的各段环索预应力损失;在此基础上进一步分析了预应力损失对弦支穹顶结构的内力、变形以及整体稳定的影响。研究表明:预应力损失造成径向拉杆内力发生大幅度变化;造成钢网壳内力分布不均匀;对结构的整体变形影响不大,只是使同圈的结构变形不均匀;使结构的整体稳定性能下降20%左右。     

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。     

索穹顶结构预应力损失估算及其补偿

初步探讨索穹顶结构整体预应力损失的估算方法,及其局部预应力损失的补偿措施,从而指导索穹顶结构的设计和施工。     

新型脊杆环撑索穹顶结构静力性能分析

索穹顶结构是一种结构效率极高的大跨预应力空间结构,适用于体育馆、展览会馆等大跨度场馆的屋盖结构.为解决传统索穹顶结构脊索易发生松弛、斜索数量多等不足,丰富索穹顶结构方案,提出一种新型预应力空间结构——脊杆环撑索穹顶结构,具有无脊索松弛现象、承载能力提高、斜索数量少等优点.建立了脊杆环撑索穹顶的有限元模型,进行静力分析,研究结构在满跨、半跨均布活荷载的组合工况下弹性阶段的受力特点.进一步进行参数分析,探讨了结构基本参数对脊杆环撑索穹顶的杆件内力、节点位移及失效荷载的影响规律.分析结果表明,脊杆环撑索穹顶具有良好的静力性能,避免了脊索易松弛退出工作的缺点,结构整体刚度大于传统索穹顶,施工难度降低.结合初始预应力、矢跨比、斜索与水平夹角、构件截面及总截面面积等结构参数的影响规律,给出结构设计建议,为脊杆环撑索穹顶结构的工程应用提供依据.     

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。     

滚动式撑杆下节点研究与应用

对现有的弦支穹顶预应力施加方法进行总结,分析张拉环索方法所面临的环索与节点间摩擦损失的问题,提出在节点中设置转轴的概念,用滚动摩擦力代替滑动摩擦力来减小摩擦损失,并给出两种下弦节点方案——单体式新型节点和压板式新型节点,最后以某结构模型试验为背景给出一种具体节点实物设计,从多角度给出一款在张拉过程中可保证环索滑动,张拉完毕又可将环索固定避免滑动的撑杆下节点。     

大跨度索穹顶结构温度响应分析

根据鄂尔多斯伊旗全民健身体育中心大跨度索穹顶结构设计要求,采用有限元分析方法,分析了初始预应力和温度共同作用下节点位移和预应力索应力变化情况,研究了初始预应力对温度效应的影响,探讨合理张拉温度以及由于温度作用对初始预应力采取的适当补偿措施。研究表明：温度作用对索穹顶结构外圈索和外圈撑杆的应力产生不可忽视的影响,在设计张拉预应力度时,既要考虑施工张拉温度与下料温度不同的影响,又要保证正常使用状态下结构在温度作用下的安全;温度作用下预应力度对索穹顶结构静力性能的影响显著。     

弦支穹顶结构施工过程数值模拟及施工监测

为解决弦支穹顶结构施工控制技术中撑杆下节点处的预应力滑移摩擦损失问题,考虑到滚动摩擦力远小于滑移摩擦力,提出一种含滚轴的滚动式撑杆下节点,并将其应用于某体育馆弦支穹顶结构。为验证滚动式撑杆下节点在降低预应力滑移摩擦损失方面的工作性能以及张拉施工过程中结构的安全性,采用ANSYS中的APDL语言编制了预应力施工数值模拟程序,对预应力张拉施工过程中索力、杆件内力和结构变形进行了全过程分析,同时对体育馆弦支穹顶结构预应力张拉过程进行了施工监测。结果表明：滚动式撑杆下节点的预应力摩擦损失在5%左右,是传统撑杆下节点预应力摩擦损失的50%;预应力张拉过程中,杆件轴向应力低于50 MPa,施工方案安全可行;施工监测数据验证了施工摩擦滑移数值模拟程序的可行性。     

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。     

某体育中心体育馆预应力施工技术

[摘要]绍兴县体育中心体育馆的上部屋盖采用弦支穹顶结构,其中包含18榀径向拉索和4圈环向拉索,在张拉环向索时,需要解决相邻张拉点之间力的传递问题,即需要将预应力在同一根环索的各个球形节点之间得到均匀建立,通过对施工全过程进行分析,对钢结构屋盖关键部位和拉索施工关键技术进行施工过程仿真分析计算,确定关键部位的安装和张拉程序,确定张拉方式和分级原则,并对关键部位的索力和位移进行施工过程的监控,并将实测结果同计算结果进行了对比,证明了该施工技术的有效性、合理性。     

基于可靠度理论及非线性规划的索杆体系索长误差控制限值研究

为多维度地考虑索杆体系的安全边界,提出了索杆体系基于两种极限状态的三种失效模式,并结合可靠度理论构建了三种失效模式下索杆体系各构件的临界状态方程,推导了索杆体系中索长初始误差对于索力及节点位移的影响系数矩阵,然后采用主要目标法对此非线性规划问题进行求解,提出了考虑结构可靠度、加工要求和制造成本的索杆体系初始索长误差限值确定方法,并进行了算例验证。结果表明,综合考虑三种失效模式后,Levy索穹顶的-初始索长制造误差允许值小于现行规范规定值,应严格控制这类索杆体系的初始制造误差,否则容易发生松弛失效与变形失效。     

Finite element modeling of cable sliding and its effect on dynamic response of cable-supported truss

The cable system of cable-supported structures usually bears high tension forces, and clip joints may fail to resist cable sliding in cases of earthquake excitations or sudden cable breaks. A analytical method that considers the dynamic cable sliding effect is proposed in this paper. Cable sliding behaviors and the resultant dynamic responses are solved by combining the vector form intrinsic finite element framework with cable force redistribution calculations that consider joint frictions. The cable sliding effect and the frictional tension loss are solved with the original length method that uses cable length and the original length relations. Then, the balanced tension distributions are calculated after frictional sliding. The proposed analytical method is achieved within MATLAB and applied to simulate the dynamic response of a cable-supported plane truss under seismic excitation and sudden cable break. During seismic excitations, the cable sliding behavior in the cable-supported truss have an averaging effect on the oscillation magnitudes, but it also magnifies the internal force response in the upper truss structure. The slidable cable joints can greatly reduce the ability of a cable system to resist sudden cable breaks, while strong friction resistances at the cable-strut joints can help retain internal forces.