工业化装配式高层钢结构新体系关键问题研究和展望

简要分析了工业化装配式钢结构建筑发展面临的重大机遇,指出我国建筑业粗放式的生产和建设模式必须向绿色化、工业化、信息化转型升级,发展全寿命绿色建筑及工业化装配式钢结构体系是必由之路.研发了工业化装配式高层钢结构多种新体系以及新节点和新构造,包括装配式斜支撑高层钢结构、桁架梁-方钢管柱结构体系新体系、模块化装配式角钢桁架梁柱体系、震后可恢复功能装配式预应力钢框架、装配式摩擦耗能复位框架-支撑结构体系、盖板装配式钢板剪力墙体系.通过理论分析和实验研究了工业化装配式钢结构整体稳定、抗震性能、梁柱节点连接性能、装配式钢结构快速建造、全预制楼板体系和叠合式楼板体系性能、外挂式墙板配套连接构造性能等关键问题并取得成果.对进一步推进工业化装配式钢结构建筑发展进行了展望.     

基于遗传算法的脊杆索穹顶优化设计

为了降低实际工程中索穹顶结构的造价,提出了一种基于遗传算法的优化设计方法,将预应力倍数和构件截面作为离散设计变量,在目标函数中考虑了结构的施工张拉程度.以Geiger和Levy两种索穹顶作为算例,得到了在多种荷载工况下满足结构应力和位移约束的索穹顶最小造价,并研究了预应力对优化结果的影响.将索穹顶的脊索替换为可受压的钢杆后,对改进方案——脊杆索穹顶进行了优化设计,并与原结构对比了结构造价和力学性能.结果表明:该方法能够高效准确地得到造价最小的索穹顶结构,各构件内力比较接近其极限设计状态;有必要在索穹顶的设计过程中考虑预应力分项系数和活荷载不均匀分布等因素,以满足结构稳定性和单根构件承载力的要求;采用钢杆替换脊索,使索穹顶结构的总造价稍有降低,并显著降低了结构挠度和支座反力.     

索穹顶结构体系的研究进展

索穹顶结构是由索、杆及膜组成的新型预应力空间结构体系.简单回顾了索穹顶结构的发展过程并介绍了6个索穹顶结构工程实例,阐述了国内外对索穹顶结构在结构形态、静力和动力特性、施工成形技术和实验模型等方面的研究现状,讨论了索穹顶结构的研究方向,为索穹顶结构的实际工程研究提供有益的参考.     

自平衡预应力网壳-索穹顶组合结构的设计与分析

目的 为实际工程应用设计一种新的空间结构形式,探讨这种结构的特点及可行性.方法 将已有的大跨度自平衡预应力网壳的研究成果以及悬索结构的理论成果相结合,提出预应力网壳-索穹顶组合结构并设计构件的截面尺寸,利用ANSYS软件进行结构的仿真分析.结果 经过合理的构件截面设计以及反复调整初始预应力,在外载作用下,结构最大的柔性拉杆应力为1332.60 MPa,最大的压杆应力为-258.85 MPa,最大竖向位移为-1.327 m;结构的内力和变形都在允许的范围内,且无杆件失稳现象.结论 自平衡预应力球面网壳-索穹顶组合结构在大跨空间结构应用是可行的.在设计时,应注意综合考虑索穹顶与下部预应力网壳两部分之间的相互影响及各自的受力特点,使结构达到最优.     

张拉整体基本单元几何稳定构型分析

为了研究张拉整体基本单元的稳定构型条件,本文用张拉整体基本单元几何参数,杆构件数目p,连接同一节点的杆、斜索的另一端节点序号差j,描述稳定构型中节点位置.分析节点力平衡,获得基本单元稳定构型条件.进一步探讨连接于同一节点的杆、斜索的另一端2个节点处于不同位置时,构件空间几何位置与p、j的关系,获得基本单元稳定构型统一条...     

具有外环桁架的肋环型索穹顶初始预应力分布快速计算法

目的研究具有外环桁架的肋环型索穹顶的构件布置和特点,提出确定初始预应力分布的快速计算法.方法考虑到该结构是一种轴对称结构,将结构简化为半榀平面桁架,采用节点平衡理论进行分析.结果提出了确定初始预应力分布的快速计算法,得到了不设和设有内拉环的具有外环桁架的肋环型索穹顶预应力杆初始内力的计算公式,并将对特定参数的该种结构的计算结果与非线性有限元分析结果进行了对比.结论具有外环桁架的肋环型索穹顶结构是有发展前景的新型结构,内部建筑空间利用率高,外圈索的初始内力明显减小.快速计算法可方便地确定该类结构的初始预应力分布,为设计和力学性能分析提供基础.     

索穹顶结构的计算分析和节点与构件控制

回顾了索穹顶结构的发展历史，并介绍了索穹顶结构的形态、特性和优点；对其成形进行了分析和设计；用非线性有限元理论对索穹顶结构进行一些非线性分析；讨论了索穹顶结构在实施技术中的节点设计、整体张拉控制技术问题；最后展望了索穹顶结构的发展应用前景。     

装配式高层预应力钢框架-支撑体系性能研究

为了加快我国工业化装配式钢结构发展的进程,提出了一种实现节点刚性连接的装配式高层预应力钢框架-支撑体系,通过有限元软件ABAQUS分析,研究拉索的截面面积、初始预应力度以及柱子的轴压比等参数对高层预应力钢框架支撑性能的影响,对比分析不同参数下结构的承载能力和刚度退化规律,得到该结构体系的受力模式和拉索初始预应力的取值准则.结果表明:预应力支撑可以有效地改善结构的受力性能,与钢框架结构相比,整体抗侧刚度提高了210%,极限承载能力提高了54%;拉索的初始预应力度越大,越可以延缓结构抗侧刚度的初次退化;预应力支撑钢结构体系设计时,拉索初始预拉力的取值准则为,在设计的外荷载作用下,预应力拉索的拉力大于0.     

装配式冷弯型钢结构楼盖承载性能的有限元分析

目的 研究销轴法兰节点及应用此种特殊形式节点的装配式冷弯型钢结构楼盖的承载性能,为其推广应用及有关规范标准的编制提供技术支持.方法 以我国南方某工程示范楼的楼盖为算例,利用有限元软件ANSYS对装配式斜支撑冷弯型钢结构楼盖在竖向荷载作用下的承载性能及自振频率进行分析,并对结构中销轴法兰节点、组合楼板与钢梁连接方式对楼盖承载性能的影响进行研究.结果 算例中销轴法兰节点刚度较大,应用此种节点的楼盖承载力及变形性能在楼面荷载小于10 kN/m2时接近于节点刚接模型;梁柱节点刚度对楼盖整体结构承载性能的影响明显;楼板与梁铰接模型的整体承载力及竖向刚度均低于楼板与梁刚接模型.结论 算例中应用销轴法兰节点的装配式冷弯型钢结构楼盖具有足够的承载力并能满足正常使用的要求;在装配式冷弯型钢结构的设计中,应对梁柱节点刚度及组合楼板与钢梁的连接方式予以重视,保证连接可靠.     

索穹顶的施工张拉及其模拟计算

介绍了索穹顶结构的连接方法、施工张拉过程及其模拟计算 ,并按模拟计算工序和参数架设了索穹顶模型 .实施操作与测试结果证明了施工张拉及其模拟计算的可行性和正确性 .     

索穹顶结构的有限元法分析和张拉施工方法

回顾了全张力体系的概念以及索穹顶结构的发展历史,介绍了索穹顶结构的优缺点．以有限元分析理论为基础,采用五节点空间曲线索单元的非线性有限元法分析推导了索穹顶结构的非线性位移关系、几何关系、物理关系、本构关系以及平衡方程．最后结合模型和工程实际,提出索穹顶结构的张拉施工方法．     

型索穹顶结构自应力模态分析及优化设计

为了解新型Kiewitt型索穹顶结构的受力性能,采用节点平衡理论和平衡矩阵理论对该结构的自应力模态进行了详细分析,并对这类具有多个整体自应力模态的索穹顶结构采用非线性规划、以初应变能最小为优化目标进行了预应力优化.研究表明,考虑结构对称性后体系超静定次数等于基于平衡矩阵理论运用奇异值分解法求得的整体自应力模态数,且其整体模态数随环索数的增加而呈规律性增加,预应力优化后的合理初始预应力分布在一定的荷载工况作用下由于部分索临近松弛而达到极限状态.     

三杆张拉整体折展过程动力学分析

本文针对三杆张拉整体结构的折展问题,提出一种索驱动的方法。利用矩阵法分析,使用节点广义坐标和连接矩阵描述结构中各构件的位置和空间分布,建立结构数学模型;通过索构件长度协调变化,杆构件长度不变来分析结构的折展过程。在考虑构件弹性的情况下,对水平索为主动构件实现结构向轴线方向折叠的运动过程进行了动力学分析。通过仿真分析验证了此折叠方案的可行性。并对折展过程中构件的长度和内力的变化进行了分析,分析结果表明:张拉整体结构通过构件长度协调变化可实现折展功能,此方法可使用于三杆张拉整体单元以及以三杆张拉整体单元为基础的复杂张拉整体结构。     

肋环型索穹顶结构的几何法施工及工程应用

针对索穹顶结构张拉难于控制和安装技术要求高的问题,提出一种只需张拉端部斜索的肋环型索穹顶结构施工成形方法.根据肋环型索穹顶结构竖压杆、脊索和斜索之间的几何关系,计算安装过程的竖压杆临时标高,设计并采用几何法安装了中国第一座索穹顶结构,验证了该施工成形方案的可行性.结果表明,几何施工法只需张拉端部斜索,索穹顶结构会自动成形,不需要大规模调整拉索的预应力,降低了施工技术要求,使索穹顶结构有可能得到普遍推广.     

Kiewitt型索穹顶结构模型试验研究

为研究Kiewitt型多整体自应力模态新型体系,在理论分析的基础上,设计加工了直径为5.0 m的Kiewitt型索穹顶结构模型,提出了支承平台、可调索杆、连接节点等的加工制作新方案,考察了当张拉各构件到设计长度时体系的初始预应力分布,以及模型在满跨、半跨和1/8跨等多种荷载工况下的静力响应.结果表明,当所有构件都张拉到设计长度时,Kiewitt型索穹顶结构的初始预应力分布达到理论计算值,在多种荷载工况下的静力响应和理论分析结果基本吻合,验证了理论分析的正确性和模型设计的有效性.     

索穹顶结构初始状态确定与成形过程分析

在研究索穹顶结构的零应力状态、施工初始几何状态基础上,着重分析了索穹顶结构的施工成形过程几何形状和单元内力变化规律,揭示索穹顶结构的初应力产生机理以及施工过程中体系的变化特征.由于索穹顶结构成形过程涉及机构运动和单元内力分析、机构位移和弹性变形耦合,采用常规的有限元方法不能求解,而非线性有限元力法是一种有效的计算方法.结果表明,在索穹顶结构成形过程中,从开始很长时间内所有单元内力均处于较低水平,此时结构是一种机构状态,节点位移主要是刚体位移.当所有索进入工作状态时结构的体系从机构转变为具有一个自应力模态的、可刚化的稳定体系,各单元的内力迅速增大.说明了索穹顶结构的成形过程,也是预应力生成的过程.     

索穹顶结构动力特性及多维多点抗震性能研究

为了弥补索穹顶这种新型大跨空间结构在动力方面研究的不足,通过对120 m跨度的肋环形索穹顶结构进行模态分析,得到了不同的参数对索穹顶结构的自振频率影响曲线;通过对其进行时程分析,发现了地震动的行波效应对结构的节点位移和杆件内力的影响规律,以及考虑多维地震与仅考虑地震单向输入之间的差别,为大跨空间结构的抗震设计提供了重要参考.研究表明,多点输入对于行波方向的位移影响显著,同时,对单元内力产生不利影响,因此,大跨度空间结构抗震分析中考虑行波效应与多维地震输入是必要的     

T型三撑杆索穹顶预应力计算方法与参数分析

针对传统索穹顶构造形式单一及环向刚度弱的缺陷,提出一种T型三撑杆索穹顶.采用节点平衡法与求解超静定结构的位移法相结合的方法,推导出T型三撑杆索穹在考虑自重情况下结构初始预应力分布的计算公式;对索穹顶结构进行参数分析,讨论了矢跨比和撑杆高度对结构初始预应力分布的影响,给出了结构在忽略自重的情况下初始预应力计算表,得出了适用于T型三撑杆索穹顶结构的参数合理取值范围.研究表明,T型三撑杆索穹顶结构初始预应力与矢跨比、撑杆高度均成反比,撑杆高度的影响程度更大,该结构适宜矢跨比为1/20～3/20,适宜撑杆高度为斜索角度tan10°～tan20°时的取值.     

附加索对三杆张拉整体结构的影响分析

张拉整体结构是由不连续的受压杆构件和连续的受拉绳索组成的特殊索杆结构,它具有质量轻、刚度高、材料利用率高的特性。研究对三杆张拉整体结构,通过添加附加索来拓展其稳定构型范围。首先,通过结构的力平衡分析,获得添加附加索前后结构保持稳定构型的扭转角度取值范围。然后根据节点坐标与连接矩阵求取构件向量并建立结构的平衡矩阵。最后通过MATLAB仿真编程分析验证了添加附加索后三杆张拉整体结构的稳定构型,范围从基本构型的两个单值角扩展到以这两个角为边界的闭区间域。     

满约束轴向拼接张拉整体结构的自稳定性分析

为获得更多张拉整体构型和拓扑结构,本文基于平衡方程,研究张拉整体拼接结构自稳定条件下的结构参数关系的求取方法。基于三杆张拉整体单元轴向拼接形成的臂状张拉整体结构,以减少结构节点约束数为目的去除索构件,获得一种新型满约束轴向拼接张拉整体结构;分析此结构的节点坐标、构件向量的求取方法,推导结构的平衡方程;依据节点和构件之间的连接关系,以获得方阵形式的平衡矩阵为目标,提出了平衡方程缩减原则;根据平衡方程有非零解,平衡矩阵行列式为零的原则,获得保证张拉整体结构自稳定的结构参数关系。通过具体实例分析,证明此方法正确,获得的结构参数关系能够保证确定的满约束轴向拼接张拉整体结构的自稳定性。