混凝土支承对大跨度空间网格结构力学性能影响及简化分析方法研究

迄今为止,国内外针对上部空间结构与下部支承结构协调工作的研究相对较少,采用固定支座、铰支座及滑动支座代替混凝土支承的处理方式无法准确反映结构的实际受力状态。通过对支承在约束方向上提供不同刚度的研究,提出考虑支承刚度的简化计算方法。分别将该简化计算方法、整体计算方法应用于深圳湾体育中心工程中,并与独立屋盖结构的计算结果进行对比,得出了三种计算方法在周期、振型、单元应力、杆件内力、结构位移及支座反力等方面的差异。研究表明:混凝土支承对大跨度空间网格结构模型的整体性能产生了显著影响,且整体结构计算模型的计算结果大多会偏于不利,因此有必要考虑空间结构与下部混凝土支承的协同工作。考虑支承刚度简化的计算模型的分析结果与整体结构计算模型吻合较好,有效地模拟了支承的弹性效应,并在约束方向上对空间结构提供了正确的刚度。     

地基及支承结构协同变形对椭圆形单层网壳结构温度效应的影响

温度作用效应对大跨结构性能的影响已经倍受关注,然而目前的研究主要集中在单独的钢结构上,忽略了下部支承结构及地基的温度作用对上部钢结构温度效应的影响。以一单层网壳为例,建立包含下部混凝土结构及地基整体模型,研究下部支承结构及地基的整体协同变形作用对单层网壳性能的影响规律。通过不同工况对比发现,合理地考虑下部支承结构的协同变形可以有效减小上部单层网壳的位移50%以上、应力60%以上以及支座水平反力80%以上;考虑地基的协同变形作用后可进一步减小杆件的最大应力17%,支座最大径向反力减小了66%,环向最大反力减少了63%,竖向最大反力减小了72%;考虑地基的非均匀温度与均匀温度相比,只能较小幅度地减小上部单层网壳节点的最大Z向位移和合位移,对单层网壳其他力学性能几乎没有影响。     

空间网架的温度应力和支座设计

介绍了空间网架温度应力的计算方法，分析了边界约束对网架受力的影响，说明在工程设计中应考虑支承平面内杆件的温度应力并合理设计网架的支座形式，以满足计算假定、协调上部结构与下部支承的受力和变形。     

金阊新城体育场馆大跨度网架屋盖设计

金阊新城体育场馆屋盖为大跨度钢结构柱面网架,不同于一般钢网架屋盖,该网架支承于下部三个独立的混凝土框架单体上,支座约束形式、下部结构的平面布置及抗侧刚度对结构的受力状态都有很大的影响。考虑下部结构的影响,对支座刚度进行真实模拟,建立了包含下部结构的总装模型,并比较分析了各工况作用下屋盖单体模型的不同受力状态。结果表明,考虑真实的支座刚度可以有效减小结构在温度作用下的支座反力及结构变形,同时地震响应也有所放大。最后验算了结构在大震作用下的支座位移,选择了合适的支座形式。     

大跨空间桁架与混凝土支承结构体系协同工作分析

上部大跨空间桁架结构与下部混凝土支承结构体系是常见的大跨结构形式。对于此类混合结构体系,现阶段的工程设计大多将上部大跨钢结构与下部混凝土支承结构分开进行设计计算。在对上部大跨钢结构单独进行计算分析时,边界条件采用简化的支座模型以模拟下部混凝土支承结构。然而这样的处理方式无法准确反映结构的实际受力情况,因此,通过整体建模进行此类混合结构的计算分析以揭示其静动力特性非常有必要。本文通过对比武汉银河汇主入口屋盖工程的单独计算结果与考虑下部混凝土支承结构协同工作的整体计算结果,得出考虑协同工作与不考虑协同工作两者在周期振型、支座反力、杆件内力、单元应力和构件位移等方面均存在差异,采用简化的固定支座或铰支座模型不能完全模拟下部混凝土支承结构对上部大跨钢结构的约束作用。论证了对于混合结构体系考虑协同工作的必要性,并对两者产生差异的原因进行了分析。     

下部支撑结构对网壳动力性能的影响

本文通过理论计算,研究支座条件(主要是下部支撑结构侧向刚度和网壳与下部支撑结构连接的转动约束)对网壳结构抗震性能的影响,针对实际设计未准确考虑下部支撑结构的影响问题,比较未考虑和考虑下部支撑结构影响两种情况下网壳结构的抗震性能.     

江阴国际会展中心大跨度屋盖设计

江阴国际会展中心主屋盖为大跨度空间管桁架,该桁架下部支撑于混凝土柱上,支座的约束形式、下部结构布置及抗侧刚度对结构的受力情况有很大影响。对支座刚度进行模拟,建立包括下部相关结构的总体拼装分析模型。考虑大跨度屋盖在温度、地震、风等荷载作用下产生的水平力,选择适当的支座形式,释放水平力,可以有效减小下部混凝土结构的截面。     

2010年亚运会自行车馆结构设计

广州自行车馆为2010年亚运会的主要比赛场馆,屋盖采用局部双层的单层椭圆球面网壳结构。网壳通过可径向滑动球铰支座与下部混凝土结构连接,网壳周边设置封闭环形约束桁架,中间单层壳体部分利用建筑凸肋造型设置加劲桁架,解决了保证整体稳定和减小温度应力之间的矛盾,同时避免了网壳侧推力直接传递给下部混凝土结构,简化了网壳支座及下部混凝土结构的设计,节约了混凝土结构的造价。     

混凝土徐变的机理及其预测

在混凝土和钢筋混凝土结构中,混凝土的徐变性能显得日益重要。它影响到结构的变形、刚度及应力状态,促使挠度增加、刚度降低和应力松弛等。在由于强迫变形(如温度变化、收缩、支座沉陷等)     

考虑节点刚度影响的新型大跨弦支穹顶结构温度效应分析

以1种新型大跨弦支穹顶结构为对象,采用有限元软件MIDAS/Gen800,在计算温度作用对结构基本静力性能影响的基础上,通过参数化分析,研究节点刚度对温度作用下弦支穹顶结构的构件内力、结构挠度和支座反力等响应的影响规律。结果表明:焊接空心球节点刚度对网壳靠中心部位杆件应力温度响应的影响较大,而水平支座约束刚度对网壳靠外部杆件应力温度响应的影响较大;从变化率上来看,焊接空心球节点刚度对外圈环索内力温度响应的影响较小,对内圈环索内力温度响应的影响较大,而水平支座约束刚度对各圈环索内力温度响应的影响程度相近。     

下部支承刚度对索拱结构力学性能的影响分析

为了研究下部支承刚度对索拱结构力学性能的影响,建立了跨度为60m,矢跨比分别为0.2,0.3,0.4的纯拱结构和索拱结构模型,采用支座刚度对下部支承的刚度进行等效处理。研究了五种不同支座水平刚度下索拱结构的强度、刚度和稳定性。结果表明,下部支承刚度对纯拱结构和索拱结构的强度和静力稳定性影响较小,但对其刚度有一定影响;该索拱结构在不同刚度的下部支承情况下力学性能良好。     

东方艺术中心点支式玻璃幕墙钢架-支撑-索网结构支承体系研究

东方艺术中心幕墙具有大跨、超长及弧形等特点,为了克服传统支承结构构件多杂的缺点,本文提出钢架-支撑-索网结构支承体系。其中椭圆杆立柱与圆杆横梁铰接(边部刚接)形成钢架,钢架背后通过一系列有规律布置的支撑系统来减少立柱的断面及增加支承体系的刚度,钢架与玻璃之间设置预应力索网以增加支承体系的整体稳定性。刚架下部通过铰节点支承于底部混凝土支座,上部通过水平链杆与长悬臂屋架上弦杆相连以消除屋架位移对结构的影响,并通过设置于支座及水平链杆上的碟形弹簧来减小温度应力的影响。本文首先对该设计理念的形成作了阐述,其次运用ANSYS程序对结构在恒、风、温度及地震等荷载作用下进行了静力、动力分析及线性和非线性的整体稳定分析,最后对该结构中主要节点的处理等方面作了介绍。     

网壳屋盖与下部支承结构动力相互作用研究

本以双层柱面网壳为研究对象,系统地研究了网壳屋盖与下部支承结构共同工作问题。针对钢网壳及混凝土支承体系这类组合结构,论首先推导出不同材料组合结构阻尼比的实用计算公式。进而通过对固定铰支座、弹性支座和整体分析模型多个网壳结构计算结果进行对比,指出若不考虑支承刚度而按固定铰支承进行分析将使设计极为不安全。与此同时论验证了用弹性支承代替整体分析的实用分析方法。     

周边支承钢屋盖滑移施工附加应力与变形控制研究

周边支承钢屋盖采用滑移施工工艺时,由于施工阶段结构支承条件与设计状态不一致,成型后结构的整体变形和杆件附加应力较大。以某体育馆为例,运用有限元软件进行不同滑移施工过程仿真模拟,对比分析边界约束条件、轨道布置、局部回顶等因素对周边支承结构受力成型的影响。发现滑靴处边界约束水平摩擦力和竖向约束刚度对结构整体力学响应影响较弱;设置短滑轨对减小跨中位移作用有限,可一定程度减小杆件附加应力和次桁架安装初始缺陷;采用局部回顶能明显减小结构竖向位移和杆件附加应力,解决支座安装问题;此外,在整个滑移过程中,竖向变形最大位置出现在南侧第1榀滑移单元端部,高附加应力比杆件也呈现由南向北侧拼装平台递减的规律,实际施工中需严密监控第1榀滑移桁架。     

双层曲面球形网壳结构支座刚度研究

根据实际工况建立双层曲面球形网壳的有限元分析模型,研究网壳架体与混凝土柱之间连接支座分别采用固定铰支座、滑动铰支座和弹性铰支座3种情况对网壳结构的影响,以及采用不同水平支承刚度的弹性铰支座时网壳结构杆件受力性能的变化情况。研究结果表明,采用弹性铰支座时网壳结构杆件轴力比采用固定铰支座和滑动铰支座小;从支座选型对网壳结构杆件受力的影响来看,采用有一定支承刚度的弹性铰支座对结构更有利;弹性支座的刚度建议取为2 000 k N/m。     

超长框架结构温度作用研究

针对超长混凝土结构的特点,给出结构温度效应计算时最大正、负温差取值方法建议,分别对施工阶段与正常使用阶段进行验算。建立了多层框架结构温度计算简化模型,研究温度内力沿结构竖向的变化规律。将桩基础作为具有水平刚度与转动刚度的弹簧,考虑基础刚度对结构底层抗侧刚度的影响。结合多层超长框架结构算例,分析了基础刚度与设防烈度对结构变形、楼板应力、框架梁和框架柱内力的影响。计算结果表明：在温度作用下,结构中部楼板应力分布较为均匀,端部楼板应力变化较大,楼板最大应力发生在框架柱周边;框架梁轴力分布中间大、两端小,框架柱内力由外向内逐渐减小;对于多层超长框架结构,首层结构由温度作用引起的变形与内力最大,2层及以上各层结构的温度效应迅速减小;柱底嵌固条件对温度效应影响显著,随着基础刚度增大,对框架柱的约束程度逐渐提高,温度作用产生的内力增大,层间位移角减小;随着抗震设防烈度提高,竖向构件截面尺寸与结构侧向刚度随之增大,温度效应逐渐增强。     

网壳结构的边界条件及支座设计

本文结合边界条件对结构强度、刚度、水平推力和温度应力等几方面的影响探讨了网壳结构边界条件的选型，还结合网壳结构的一般边界条件，提出了网壳支座的合理型式和应用范围；并且提供了常见支承条件下，网壳支座的设计思路和方法。     

侧向约束对超长结构预应力施加的影响分析

超长混凝土结构施加预应力时,侧向刚度会约束梁、板构件的轴向变形,从而影响预应力在水平构件中的传递,导致轴向预应力的损失。本文分析了侧向约束对超长结构预应力施加效果的影响,并在理论分析和工程实测数据的基础上,提出了减小次内力的措施。     

喀什体育馆钢结构设计

新疆喀什体育馆A区的钢结构屋盖平面呈马鞍形,长轴为105.571 m,短轴为89.768 m,周边支承在32根型钢混凝土柱顶。钢桁架与型钢混凝土柱通过弹性球形钢支座连接,与型钢混凝土柱相互约束,共同承担竖向荷载,抵抗水平荷载作用。介绍了钢屋盖的结构特点和设计参数,分析了钢结构设计中温度作用对结构的影响,钢结构和主体结构的整体模态分析,并从主要杆件的应力比、钢屋盖的竖向位移和支座的设置等多方面验证钢结构屋盖的安全、可靠。     

约束混凝土的应力-应变分析模型

众所周知,混凝土的强度和延性在很大程度上取决于侧向约束水平。约束的刚度和基本性能（弹性,弹塑性等）是影响混凝土性能的重要因素。本研究中,建立了一个新的简单的约束混凝土模型来描述三向受压状态下混凝土的轴向和侧向变形特性。定义约束混凝土的轴向应力-应变关系为非线性曲线的弹性区。采用常失效能量准则定义了应力-应变关系曲线的下降区域。