梅江会展中心张弦桁架抗连续倒塌分析

通过对天津梅江会展中心张弦桁架移除关键构件后的残余结构的承载力分析,得到张弦结构的支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆等关键构件的破坏对结构承载力影响最大;为了模拟杆件失效前静力荷载产生的初始变形对结构连续倒塌的影响,采用考虑初始变形的全动力等效荷载瞬时卸载法模拟杆件失效。对支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆失效进行连续倒塌动力分析,研究了纵向联系桁架对张弦结构抗连续倒塌的作用,得到平面张弦桁架通过纵向联系桁架组装成一整体,其整体性随着纵向联系构件抗弯刚度的增大而提高,共同作用效果明显。在此基础上,利用山墙的抗风柱,将边跨张弦桁架改变为多支点支承的普通桁架,设计时该抗风柱不仅承担水平风荷载,还承担竖向荷载,从而提高结构的抗连续倒塌能力。并根据该工程的特点提出集桁架支座、张拉端（锚固端）和桁架下弦管于一体的铸钢节点构造,不仅满足建筑要求,还使得该处节点承载力大大加强,可供相关工程参考。     

张弦桁架设计若干问题讨论

对张弦桁架设计过程中的若干问题进行了讨论。增加张弦桁架的矢高或垂距可减小结构跨中的挠度及弯矩,但增加矢高会加大结构支座处的水平反力,加大风荷载作用下结构表面的风载体型系数,减小预拉力作用下结构跨中的反拱值及反向弯矩,建议在设计时首先考虑使用增加垂距的方法来改善张弦桁架的受力性能。在反对称荷载作用下,张弦桁架中的拉索及撑杆无法为桁架提供有效支承,对有可能遭遇反对称荷载作用的张弦桁架应重视结构在该工况下的分析设计。张弦桁架传力路径较为单一,杆件的屈服有可能致使结构实际的失稳情形与弹性稳定分析结果不符,对该类结构进行弹塑性稳定分析是有必要的。将张弦桁架中的拉索设计成并行双索的形式将有助于提高结构的抗连续倒塌能力。     

大跨度空间张弦桁架结构抗连续倒塌性能研究

大跨度空间张弦桁架结构在局部初始破坏下的传力模式和倒塌机理应深入研究。基于验证后的有限元模型,分别对拉索、柱、支座下弦杆失效下张弦桁架结构的抗连续倒塌性能进行研究,在此基础上给出提升此类结构抗连续倒塌性能的具体措施。研究结果表明:单榀张弦桁架传力路径单一,拉索和支座处下弦杆的失效会导致结构发生连续倒塌。由于纵向联系桁架的支撑作用,相邻榀张弦桁架参与工作,空间张弦桁架结构的最大应力及位移较单榀时大大减小,空间效应显著,在拉索、柱、支座下弦杆失效时均未发生完全倒塌。基于大跨度空间张弦桁架结构的抗倒塌模式,加强张弦桁架和纵向联系桁架交叉区域的弦杆及支座处腹杆、将单索换为双索能够有效提升大跨度空间张弦桁架结构的抗连续倒塌性能。     

玻璃采光顶及幕墙张弦结构整体设计与分析

考虑建筑张弦结构提高刚度、减小支座水平推力的显著效果,文章以某建筑玻璃采光顶及幕墙为例,对张弦梁采光顶和张弦桁架玻璃幕墙进行整体设计和分析,优化张弦梁和张弦桁架拉索预应力,对关键节点进行加强设计,提出合理化建议.     

张弦空间结构的非线性分析

运用非线性有限元基本理论研究张弦空间结构的非线性特征。针对5个张弦空间结构工程,研究结构的几何非线性、材料非线性和边界条件的状态非线性特征,揭示其基本力学特性。分析表明:张弦空间结构的刚性构件体系贡献了结构的线性刚度,结构的变形协调使拉索应力刚化进而增大结构的几何刚度;对索施加初始预拉力可以增大结构几何刚度,但不影响结构总刚度增量的变化规律;结构总刚度的非线性部分随荷载步的改变而更新,结构分析须先确定结构所处的荷载工况;结构材料进入塑性后表现为结构总切线刚度中线性部分的降低,当结构达到弹塑性极限承载力时表现为结构材料失效。基于张弦结构的自平衡特性,当张弦空间结构滑动支座滑移达到滑程时,结构的边界条件转变为相应的铰支座或弹性支座。通过屋盖结构支座附近同位置且同方向的下部支承结构体系的刚度与屋盖邻支座区域杆件体系刚度的比较,可方便准确地对屋盖单独模型进行屋盖结构在实际工作环境中边界条件的模拟。     

三亚国际体育产业园体育场钢结构设计

三亚国际体育产业园体育场钢结构体系由外侧钢结构、轮辐式索桁架结构、屋顶膜结构组成.介绍了体育场钢结构各组成部分的结构体系、支承条件及连接关系,重点阐述了钢结构体系的设计难点及解决方案.设计了一种铰接柱支承的水平桁架结构,通过水平环桁架整体作用减小了环梁截面.设计了碳纤维增强复合材料拉索(CFRP索)组成的轮辐式索桁架结构,减轻了悬挑端自重,减小了交叉索对环索内力的影响,降低了索夹承受的不平衡力.对索膜结构形态进行了分析,实现了索桁架结构初始态位形与目标建筑几何相一致.研究了钢结构体系的整体稳定性能和各种荷载作用下的极限承载能力,结果表明钢结构整体稳定性能满足要求.研究了个别拉索发生偶然断索情况下钢结构体系的抗连续倒塌性能,结果表明断索不会引起连续断索导致结构倒塌.分析了不同施工安装次序对外侧钢结构内环梁稳定性的影响,通过屈曲分析得到内环梁计算长度,用于施工过程稳定验算.此外还介绍了关键节点设计.     

内外组合张弦网壳结构基于向量式有限元的断索分析(英文)

对乐清市新体育馆采取的一种新型内外组合张弦网壳结构进行了断索分析.利用自编向量式有限元(VFIFE)程序模拟分析不同位置径向索相继断裂后该结构的内力重分布及节点变位情况,并和ANSYS生死单元法的计算结果进行比较.荷载态静力分析结果检验了向量式有限元程序在进行静力计算的正确性,而断索过程的模拟更展现了该方法在处理结构非线性动力问题的优越性.分析结果表明,内外组合张弦网壳结构在个别径向索发生断裂的情况下尽管稳定性能有所降低,依然能够继续承载,具有较好的抵抗连续破坏的能力.然而在动力效应的影响下,结构响应有一定程度的放大,断索附近的网壳相对容易出现局部失稳.本文工作为该结构的维护检修、拉索更换以及预应力空间结构的抗倒塌设计提供了参考.     

平面张弦结构失稳与破坏机理的数值分析

张弦结构由刚性上弦和柔性下弦索通过撑杆连接而成,为半刚性结构,其整体失稳和破坏模式是张弦结构研究和设计的重点。提出两端受有水平力和竖向集中力的弹性支承连续拱模型来模拟张弦结构。根据该模型分析得出影响张弦结构弹性及弹塑性失稳机理及承载性能的关键参数,如拱的矢跨比、拱截面、索的垂跨比和索截面积。并根据这些参数,利用该模型对张弦结构进行参数化分析,得出避免张弦结构发生整体失稳和脆性破坏时上弦拱的矢跨比和截面面积以及索截面取值建议值,并进一步讨论了支座刚度对张弦结构极限承栽力和弹塑性破坏的影响,为张弦结构抗连续倒塌设计提供技术支持和参考。     

应用于天桥上部结构的张弦桁架设计分析

本文对应用于人行天桥上部承重结构的张弦桁架结构进行了设计计算分析,根据人行天桥结构承受的荷载远大于屋盖结构所承受的荷载的特点,并结合考虑天桥的具体施工方案,给出了张弦桁架结构拉索中初始张拉力值的确定原则和具体数值;数值模拟了作用于张弦桁架结构的风速时程,计算了天桥结构的风振响应,确定了结构的风振系数。     

撑杆失效对张弦结构抗连续倒塌性能的影响

根据张弦结构的受力特点,假定张弦结构为两端受有集中力的弹性连续梁进行分析,得到撑杆失效后上弦截面内力的最大值,给出防止张弦结构发生上弦局部破坏和撑杆连续破坏的充分条件.分别以张弦桁架和张弦梁结构为研究对象,分析撑杆失效对张弦结构抗连续倒塌性能的影响.研究结果表明:撑杆失效后索的应力变化很小,但撑杆失效导致相邻撑杆的内力增加均远大于原撑杆内力的50％,这一方面是因为相邻撑杆承担荷载增加,另一方面是由于动力放大效应,最终导致相邻撑杆的内力增加较多;上弦刚度越小,上弦对撑杆的依赖性越大,由于动力放大效应,撑杆失效的影响越明显.     

双向多跨连续索桁架-索网结构静力分析

天津一汽成品车停放场悬索工程是双向多跨连续轴线柱间以劲性索桁架为柔性边界的新型索网结构,该结构双向索桁架正交形成矩形网格,每个矩形网格内为鞍形索网结构.介绍了索桁架-索网结构找形过程和对拉索预应力取值原则的探讨,并应用ANSYS对结构进行了考虑非线性静力分析和极限承载力计算.结果表明,索桁架作为结构的柱间连接,有足够的刚度承担竖向荷载以保证其结构的稳定,索桁架和鞍形索网能够很好地协同工作,结构具有较高安全性能.     

张弦拱桁架结构基于模态参数的损伤识别试验（英文）

张弦桁架结构是是由上部刚性拱桁架与下部柔性拉索通过中部撑杆组合而成的一种自平衡体系,具有受力合理、承载能力高、造型轻盈、跨度大等优点,被广泛应用到大跨钢屋盖结构中。但张弦桁架结构规模大、服役期限长,所处环境状况复杂,受到的荷载作用具有随机性,发生损伤的潜在危险性较大。此类结构一旦出现损伤会对结构的正常使用产生影响,甚至可能引起连续倒塌,因此研究张弦桁架结构在运营期的损伤识别具有重要的现实意义。但张弦梁结构中存在拉索、撑杆和桁架等不同类型杆件,受力机理更加复杂,其损伤识别与常规桥梁式结构或多高层建筑结构存在明显差异,目前针对张弦桁架结构的损伤识别尤其试验研究很少。因此,针对张弦桁架结构基于模态参数的损伤识别方法开展试验研究。通过对某火车站顶棚结构进行缩尺简化,设计制作了两榀张弦桁架试验模型。两榀试验模型结构尺寸相同,模型总长6 m,矢高0. 4 m,垂度0. 4 m,上部采用倒三角立体桁架,每两个节点之间由四角锥基本单元构成,结构中部均匀布置5根对称的圆钢管撑杆,下部布置直径8 mm的钢丝绳拉索,并施加2 kN预应力;试验模型一端为固定铰支座,另一端为滑动铰支座,并在结构两侧设置刚架作为受压桁架侧向支撑。两榀试验模型构件截面尺寸不同,模型1相对于模型2杆件截面尺寸较小;荷载施加情况不同,模型1未施加外荷载,模型2在模型上弦杆布置质量块模拟结构正常使用状态的荷载。试验采用不同截面尺寸杆件替换正常杆件的方法来模拟结构损伤,即通过降低截面刚度的方法来模拟杆件损伤,根据杆件截面积丧失程度定义损伤程度。试验设计了弦杆单损伤、多损伤、索撑损伤等不同程度以及不同位置的损伤工况,通过动力检测获取试验各工况前三阶模态参数:采用单点拾振、多点激励的方式进行试验,即将加速度传感器安装在桁架上弦杆件的4号节点处,然后用力锤依次对1～14号节点进行锤击,每个节点锤击激励1 min,通过动态信号采集仪采集加速度信号;根据不同工况替换相应损伤杆件,依次采集加速度信号;接着利用TSTMP模态分析软件处理加速信号,获取张弦桁架每个工况的频率与振型等模态数据,以用于之后的损伤识别分析。张弦桁架结构相对复杂,杆件繁多,可能发生损伤的部位较多,单一损伤识别方法无法一次检测出结构各部分的健康状态。因此将张弦桁架结构分为上部刚性桁架与索撑体系两部分,针对各组成部分的特点,采用基于振动模态参数的组合识别方法对张弦桁架试验结果进行分析:上部刚性桁架对结构整体频率影响较小且杆件连续,运用曲率模态差和模态柔度差曲率对其进行损伤识别;下部索撑体系杆件相对独立且单元数量相对较少,通过选取正则化频率变化率建立索撑体系频率指纹库的方法对其进行损伤识别。曲率模态差是从结构各阶模态振型入手,对结构的振型进行差分得到模态曲率,再通过计算结构损伤前后曲率模态的变化得到。模态柔度差曲率是从结构的柔度矩阵入手,由损伤前后结构的各阶振型和频率共同得到结构柔度矩阵差,再对其对角元素差分得到。上部刚性桁架进行损伤识别时,根据结构损伤前后的模态数据计算绘制曲率模态差和模态柔度差曲率曲线,曲线突变最大处判定为桁架杆件损伤位置。正则化频率变化率是从结构各阶频率入手,计算结构损伤前后的频率变化率并对其正则化得到。由于其仅是损伤位置的函数,与损伤程度无关,因此建立频率指纹库时仅需考虑每个构件的一种损伤工况,减小了样本量。索撑体系进行损伤识别时,首先建立索撑体系频率指纹库,即预先假定各种损伤工况并依据结构理论模型进行有限元分析,计算得到对应的正则化频率变化率,从而建立频率指纹库;再由实测得到的结构固有频率,计算某工况下的正则化频率变化率指标,与频率指纹库进行对比,两者最接近处判定为索撑体系损伤位置。采用张弦桁架的组合损伤识别方法分析试验数据,结果表明:1)基于前三阶频率的正则化频率变化率指标可以有效识别索撑体系的损伤。但由于索撑单元均具有对称性,因此正则化频率变化率指标无法判断对称单元的损伤情况,需要进一步验证。2)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均能够较好地识别上部刚性桁架结构的单损伤和多损伤,但其对不同位置杆件的损伤识别效果略有不同。由于下弦杆直接与撑杆相连,受撑杆影响较上弦杆大,因此曲率模态差法和模态柔度差曲率法对上弦杆的识别效果优于下弦杆。3)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均可以通过曲线定性判断上部刚性桁架杆件的损伤程度,损伤程度越大,曲线突变程度也越大。另外,越高阶曲线突变程度差距越小,因此应利用低阶模态数据定性判断损伤程度。4)与曲率模态差法相比,模态柔度差曲率曲线在非损伤位置突变小,曲线更稳定,受非损伤位置的干扰较少,识别效果更好。基于越多阶模态数据获得的模态柔度差曲率,其曲线在损伤位置发生的突变越明显,且基于前三阶模态数据得到的模态柔度差曲率完全可以满足损伤识别的精度要求。另外,越高阶振型数据得到的曲率模态差曲线突变越大,但其受干扰也越大,一般运用前两阶曲率模态差曲线可以得到较好的损伤识别效果。     

基于抗连续倒塌性能的张弦梁结构撑杆构型与数值验证

针对传统张弦梁结构冗余度低、易发生连续性倒塌的特点,引入变换荷载路径法改进撑杆构型,提出了一种交叉撑杆构型的张弦梁结构体系。以某体育馆张弦梁结构为原型,建立了新型撑杆构型的张弦梁结构基准模型。通过优化撑杆交叉角度、交叉节点位置等参数,得到了多个具有新型撑杆构型的张弦梁结构模型,并采用有限元方法对其承载力与抗连续倒塌性能进行了分析。结果表明：经合理设计,新型撑杆构型的张弦梁结构与传统张弦梁结构在刚度、承载力等方面较为接近,且新型撑杆构型的张弦梁结构承载力与撑杆交叉节点的位置有关;当中间索失效时,下撑杆能代替失效索为结构提供有效的传力路径,且交叉角度较大时新型撑杆构型的张弦梁结构抗连续倒塌性能更好;当边索失效时,交叉撑杆构型的张弦梁结构的竖向位移均较传统张弦梁结构的大幅减小,其抗连续倒塌性能更加优良。     

雷暴冲击风激励下大跨张弦桁架的振动响应分析

本文针对大跨张弦梁桁架在雷暴冲击风激励下的振动响应进行研究,为实际工程结构的抗风设计提供依据。采用混合随机模型对雷暴冲击风强风荷载进行数值模拟,其中平均风采用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟,脉动风采用基于Kaimal目标谱的自回归AR模型模拟。以某火车站大跨张弦桁架雨棚结构建立基准分析模型,利用时域分析方法研究不同雷暴冲击风场参数(最大风速半径,风暴移动速度,风向角)对张弦桁架位移、加速度和拉索索力等结构风振响应的影响。结果表明:在风荷载时程两个峰值位置,桁架位移达到峰值,加速度波动尤为剧烈,拉索轴力显著减小,其中,90°为拉索最不利风向角。针对雷暴冲击风中平均风速和脉动风速响应均随时间变化的特性,研究了大跨张弦桁架结构的整体风振系数计算方法,结果表明:张弦桁架除支座外各点位置对节点整体位移风振系数的影响较小,可采取统一的结构整体位移风振系数并引入安全系数对结构进行设计。     

北京北站张弦桁架结构性能研究及工程优化

张弦桁架结构在我国火车站无站台柱雨棚工程中的应用日渐增多。以北京北站站台张弦桁架雨棚为例,研究该类结构在恒荷载及风荷载作用下,结构受力性能随各参数的变化规律。结果发现:结构中拉索的垂距及轴向刚度能显著改善结构在恒载作用下各方面的力学性能。相比于恒荷载,结构对风荷载更为敏感,通过改变结构矢高、垂距,拉索截面积等参数可优化结构在风荷载作用下的受力性能。在结构性能研究的基础上,提出适宜工程应用的张弦桁架结构优化设计方法和步骤,并结合北京北站张弦桁架结构介绍该优化设计步骤的具体应用过程。     

温州体育中心主体育场钢罩棚结构设计

温州体育中心主体育场上部钢罩棚体量巨大、悬挑较长，结构体系、细部构造设计决定结构整体稳定性和抗连续倒塌能力.采用SAP2000有限元软件建立整体计算模型，进行计算分析，衡量结构整体性能指标；对结构进行线性屈曲与非线性稳定性分析，以屈曲因子衡量结构整体稳定性；采用备用荷载路径设计法进行抗连续倒塌设计，以局部构件失效后验算剩余结构是否具有抗连续倒塌的能力；采用ANSYS软件对支座节点进行有限元分析，采取构造措施有针对性地解决节点应力集中现象.结构概念设计与精细化分析表明，温州体育中心主体育场上部钢罩棚采用径向悬挑主桁架+环向次桁架+水平支撑结构体系，结构整体稳定性好，有较强的抗倒塌能力，结构体系选择合理.针对大体量、长悬挑结构，采用径向悬挑主桁架+环向次桁架+水平支撑结构体系，较好地解决结构整体稳定性、抗连续倒塌能力问题，为类似钢罩棚设计提供参考.     

镇江体育会展馆预应力钢结构施工技术

镇江体育会展馆屋面采用张弦立体桁架结构,施工时桁架与拉索同时安装,钢结构部分安装完成后,将索分级分步对称张拉。介绍了放索、挂索及张拉工装等施工工艺,利用ANSYS有限元分析软件对张拉过程进行施工模拟仿真计算。结合仿真结果及工程特点,提出了施工过程中合理的安装测量方案,确保了施工的顺利进行。     

青少年户外培训基地综合体育馆屋盖优化设计

介绍了青少年户外培训基地综合体育馆的工程概况,阐述了跨度为105m的弦支穹顶结构体系优化设计及选定过程.将初设方案和施工图优化方案进行了对比分析研究,对比内容包括屈曲模态、几何非线性屈曲、双非线性屈曲等.除此之外进行了整体抗连续倒塌验算.研究成果表明将外侧网架与单层网壳弦支穹顶连接成整体,并通过悬挑桁架和环向桁架进行整体刚度加强后,结构整体稳定性得到较大提高,有效避免了单层网壳转折点受力集中,同时结构不会发生连续倒塌破坏,并节约了预应力索用量、支座数量以及整体用钢量,经济指标更为良好.     

张弦空间结构的构成形式与空间工作机理

从张弦结构的工作机理出发.介绍了具有代表性的安徽大学体育馆张弦梁式空间网壳结构、北京大学体育馆张弦辐射桁架壳体结构和泉州市体育馆张弦平行桁架壳体结构的拉索撑杆体系在既定的刚性结构下的布置形式.在对三个体育馆屋盖结构进行静力参数分析的基础上,总结了张弦结构的空间工作机理和张弦空间结构的体系特征.分析表明,根据张弦结构的工作机理可以将相同的刚性结构与不同布置形式的索杆体系相结合构造出结构性能存在差异的张弦空间结构;整体张弦网壳具有优于局部张弦网壳的结构性能;降低曲面刚性结构产生的强大支座推力,并使结构具有足够刚度的有效途径是将刚性结构与索杆体系相结合构成自平衡的预应力张弦结构.     

交叉布索新型索-拱结构的静力性能及参数分析

结合弦撑式索-拱结构的撑杆布置特点以及张弦式索-拱结构的布索特点,提出了一种交叉布索索-拱结构。为了研究拉索节点位置、矢跨比、预拉力对新型索-拱结构的静力性能影响,建立了跨度60 m的交叉布索索-拱结构,采用ANSYS分析结构的静力性能,得出了一些实际性的结论。拉索节点位置越靠近拱体中点越可以极大地提高结构的竖向刚度,在均匀荷载作用下,拉索节点位置半跨1/6处结构的最大竖向位移比5/6处降低了40%;矢跨比的增加会提高结构拱脚处的稳定性,在不均匀荷载作用下,矢跨比0.15结构的水平支座反力比0.4降低1/3以下;预拉力的增加会降低下部索松弛的风险,但是增加拱体承担荷载的压力建议预拉力取值200 kN左右。