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。     

索穹顶结构模型试验研究

本文在进行了几何非线性有限元分析计算的基础上,设计了索穹顶结构的试验模型,采用模型计算、模型测试的对比方案进行模型结构试验研究。内容包括受压杆件的稳定性设计、节点设计、钢索锚固、模型架设过程中钢索的张拉工艺及张拉顺序等。然后,分别在预张状态和加载状态下对模型的拉索张力、屋顶垂度进行了测试,并与计算结果作了对比分析。     

索穹顶结构

本文首先分析了张力集成穹顶单元的几何形态，并基于此提出了索穹顶结构的几何及拓扑关系，介绍了几种穹顶结构的构成型式，归纳出了索穹顶结构的工作机理．     

索穹顶结构

本文在择要回顾素穹顶结构的发展过程和主要工程实践之后，论述了索穹顶结构的特点和工作机理以及分析、设计索穹顶结构的理论基础和方法。     

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。     

索穹顶结构全面优化设计方法的研究

通过线性规划、齿形片、模态搜索及一维搜索片的联合应用,提出了索穹顶结构的预应力、截面、矢高、圈数同时优化设计的方法,优化效果明显。可在优化的过程中完成对索穹顶结构的设计。编制了索穹顶结构优化设计的计算程序,并进行了算例分析。     

索穹顶结构几何稳定性分析

索穹顶结构是发展和推广Ｆｕｌｅｒ张拉整体结构思想后唯一应用于实际工程的一种新型大跨结构,它的几何稳定性分析对结构的设计非常重要。本文通过对杆系结构的分类、自应力模态、机构位移模态确定、以及体系稳定性判定准则等细节的研究,对索穹顶结构几何稳定性作了较为完整的分析。编制了相应的程序,对肋环型、三角化型和凯威特型等多种布置形式的索穹顶结构进行了计算分析,得出了一些对结构选型有用的结论。     

索穹顶结构非线性有限元分析

本基干非线性弹性理论，采用两节点铰接单元，对大跨度空间索穹项结构进行了非线性静力分析，在三维整体坐标系下，直接根据应变的定义建立了精确应变的非线性几何关系，从而可以考虑任意次高阶位移的彰响，得到了轴向应力-应变的直接关系，并基于虚功原理建立了单元的非线性有限元增量方程及对称的切线刚度矩阵，且利用Newton-Raphaon法进行了实例计算，结果表明，本方法精度较高，适合干索穹顶结构的设计计算。     

索穹顶与张拉整体穹顶

本简要介绍了索穹机和张拉整体穹顶结构的起源、结构形式与特点、节点与其它连接邮件施工方法，并比较了它们的各自优缺点，说明了对不同的平面形状适用于采用不同的结构形式。     

索穹顶结构整体张拉成形模型试验研究

索穹顶结构既可以通过对所有拉索施加预应力完成对结构预应力的施加,也可以通过对部分拉索施加预应力,其他拉索被动受力达到整个结构被赋予预应力,根据索穹顶结构预应力施加的不同方法,探讨索穹顶结构预应力成形过程。采用不同的预应力施加方法对结构进行全过程仿真分析,表明结构的最终内力和位形与预应力施加方法无关。结合内蒙古伊旗全民健身体育中心索穹顶实际工程,制作了1∶4的试验模型,按照地面组装、分步提升、整体张拉的思路,采用ANSYS数值模拟对成形过程进行了全过程仿真分析,对索穹顶张拉成形方法进行验证。通过在模型试验过程中合理布置拉力传感器对结构从拼装到成形的全过程进行内力跟踪监测,监测结果与仿真分析结果吻合较好,从试验模型的内力变化曲线可找到内脊索开始受力即为结构由机构转变为结构的转折点。     

索穹顶结构的静力性状分析

本文基于文献［４］提出的索穹顶结构非线性有限元理论及初始刚度计算方法，对圆形平面、球形屋面、脊索呈辐射状分布的轴对称索穹顶结构进行了分析计算，通过参数改变，详细研究了该类索穹顶结构的静力性状，并得到了一些重要结论，对理论研究及工程应用具有指导意义。     

采用定长索设计的肋环型索穹顶结构索长误差影响的试验研究

在国内建成的肋环型索穹顶结构中,多采用调节索长以控制结构性状(力态与形态)的施工方法,而国外更多采用定长索设计与施工。定长索设计是将索头设计为不能调节长度的形式,通过精确设计和控制各索的制作长度,在现场直接张拉到位,不需要反复调节索长,节省人力物力。使用定长索设计与施工,需要首先了解张拉结构中不同索的索长误差对其整体结构预应力态和荷载态的影响,进而依据相关理论确定索长误差控制值。文中针对索长误差的敏感性,设计一个平面为矩形的肋环型索穹顶结构模型,通过试验研究初始索长误差对预应力态的影响,比较不同索的索长误差影响范围及大小的不同,并试验初始索长误差影响与预应力水平的关系。在此基础上,通过试验研究不同荷载工况下初始索长误差对结构荷载态的影响,并进行对比。最后,比较预应力态不同,初始索长误差发生位置不同时,初始索长误差对荷载态的影响。研究成果对索穹顶结构的设计与施工张拉有指导作用。     

索穹顶结构施工技术研究

以直径71.2 m索穹顶工程为对象,介绍索穹顶施工的关键技术,即结构施工偏差及构件尺寸误差的控制、结构的安装成形方法、预应力张拉次序与方法、施工仿真分析与监测控制等。将内中脊索、内中斜索及环向索都做成定长索,外斜索和外脊索做成可调索,调整其长度补偿耳板的径向施工误差;在总结类似工程施工经验的基础上,提出地面拼装、整体同步提升外脊索和外斜索进行安装、张拉外斜索使结构成形的施工方法,减少高空作业量,保证施工的安全;根据索穹顶结构为柔性结构且具有多个对称轴的特点制定了分级分批张拉的施工方案,完成对索穹顶结构的张拉施工,从监测数据看出,施工完毕以后的位形和设计位形基本一致。     

索穹顶中考虑薄膜与索协同工作对结构性能的影响

索穹顶结构是一种新型的大跨度空间结构形式。目前对该类结构的受力性能研究一般仅考虑预应力索单元承受荷载,而忽略薄膜对功能力的影响,这并不能真实反映索穹顶结构的实际工作状况,并且这种简化计算是否偏于这民未经验证。针对这一问题,本文一个圆形平面Ｌｅｖｙ体系索穹顶结构计算模型,分别对两种方案进行极限承载力和位移的计算。通过对计算结果的分析比较,本文得到如下结论：仅考虑索单元承载所算得的索穹顶结构的极限承载     

索穹顶结构关键施工技术研究

以直径71.2m索穹顶工程为对象,介绍了索穹顶施工技术的重点及难点问题,即拉索下料尺寸的控制、结构的安装方法、结构的张拉成型方法。在总结国外类似工程的施工经验基础上,首次提出了地面整体拼装、整体同步提升外脊索和外斜索的安装方法,减少了高空作业量,保证了施工安全。根据索穹顶结构为柔性结构且具有多个对称轴的特点,制定了分级分批张拉的施工方法,完成了对索穹顶结构的张拉施工,从监测数据看,施工完毕以后的位形和设计位形基本一致。     

索穹顶结构成形试验研究

本文对目前正在国内外引起广泛关注的大跨度空间索穹顶结构进行了成形试验研究，通过试验进一步明确了Gejger施工方法，同时分析了施工过程中桅杆的运动轨迹、结构维持形状及荷载刚度的初应力生成机理，对正确建立索穹顶结构设计理论及工程应用具有指导意义。     

Geiger型索穹顶结构参数分析

国内一些文献已经对索穹顶结构的静动力性能进行了一些研究,但涉及的参数比较单一,未能充分揭示其特性。本文运用空间非线性两节点直线杆单元和悬链线单元模拟索穹顶结构中的压杆和长索,对Geiger体系索穹顶结构进行全面参数分析(包括温度、预应力水平、构件截面面积、结构形体),得出了一些有益的结论,可以指导以后的索穹顶结构设计。     

索穹顶结构的优化设计

索穹顶结构优化设计分为三个方面 :预应力优化设计、截面优化设计、形状优化设计。通过线性规划、齿形法及模态搜索法的联合应用 ,内力分析采用有限单元法 ,预应力优化设计采用线性规划法 ,截面优化设计采用齿形法 ,形状优化设计采用模式搜索法 ,编制了索穹顶结构优化的计算程序 ,将索穹顶结构优化设计的三个方面有机地结合在一起 ,进行了循环迭代求解     

刚性网格索穹顶结构的模型试验研究

通过对一直径6m的刚性网格索穹顶结构试验模型进行预应力张拉成形、竖向对称加载与非对称加载试验,研究该结构模型在静载下的力学性能。应用非线性有限元数值计算方法建立刚性网格索穹顶结构的计算模型,对结构的静力学性能进行理论计算与分析,并与试验结果进行比较。结果表明:在各加载阶段,试验模型节点竖向位移实测值与理论计算结果较接近,拉索索力实测值与计算结果吻合较好,证明模型设计和试验方法合理,理论计算方法正确。     

索穹顶结构施工成形方法比较与分析

在对国内外已建索穹顶结构施工成形方法进行总结的基础上,结合国内在这方面取得的研究成果,对传统的索穹顶施工成形方法进行比较分析,指出该类结构的施工成形方法仍有改进和创新的潜力。