蜂窝双撑杆型索穹顶的构形和预应力态简捷计算法以及参数灵敏度分析

蜂窝双撑杆型索穹顶结构具有以下特点：一是上弦脊索选用了任意等腰六边形的蜂窝网格;二是抛弃了在上下弦节点只有一根垂直水平面撑杆的“拉索海洋和压杆孤岛”传统张拉整体Fuller构想,而是在上下弦节点设有倾斜形的双撑杆,这使上弦网格扩大,撑杆和整体结构的稳定性得到提高,可改善施工张拉成形的方便性,结构构形的建筑美和结构美协调融合。依据节点平衡方程,提出了结构预应力态的简捷计算法,推导了预应力态索杆内力一般性计算公式。对90个结构模型进行了分析计算,反映了该种索穹顶预应力态的索杆内力大小和分布规律,同时参数灵敏度分析结果表明,内力分布对矢跨比和是否开孔不敏感,下弦节点位置则影响较大。本文的研讨为索穹顶结构选型、设计和施工提供了一种新思路。     

蜂窝单撑杆型索穹顶的构形及预应力态的简捷计算法

研讨了一种新型的蜂窝单撑杆型索穹顶结构,它的几何构形为上弦索,是一种蜂窝形网格布置,整个结构仍属于"拉索海洋和压杆孤岛"张拉整体的Fuller构想,但并不要求压杆垂直于水平面,而在径向平面内有一倾角,故可称为蜂窝单撑杆型索穹顶结构。采用节点平衡方程,对蜂窝单撑杆型索穹顶结构的预应力态提出了简捷分析法,详细推导了预应力索杆内力的一般性递推计算公式,并根据若干参数给出了大量的算例计算结果,以了解索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。研究工作可为索穹顶结构的选型和设计提供参考。     

鼓蜂窝四撑杆型索穹顶的结构构形及预应力态分析北大核心CSCD

继鼓蜂窝序列索穹顶创新研究后,进一步探讨了鼓蜂窝四撑杆型索穹顶的三种结构构形及一般性的预应力态分析方法.分析讨论表明:鼓蜂窝四撑杆型索穹顶是一类构形最丰富的索穹顶,在轴对称荷载作用下,均可归属为一次超静定结构,通过建立节点平衡方程组,可简捷求得预应力态的精确解.对开、闭口鼓蜂窝四撑杆Ⅲ型索穹顶,文中分别详细推演了预应力态的全过程分析,并对多个参数作了预应力态分布规律和特点的阐释.本文研究为索穹顶结构的选型、设计提供了新思路、新方案.     

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。     

葵花三撑杆Ⅱ型索穹顶结构预应力态确定、参数分析及试设计

提出一种新型葵花三撑杆Ⅱ型索穹顶的结构构形,该结构不沿用Fuller"拉索海洋与压杆孤岛"传统意义上张拉整体构想,而是在下弦节点处采用了3根撑杆交汇的布置方案(Ⅱ型),可使一道环索管辖两圈脊索,上弦网格数不变时斜索和环索可减少一半,提高张拉施工便易性,并改善局部及整体结构的稳定性.根据节点平衡方程,推导了葵花三撑杆Ⅱ型...     

刚性网格索穹顶结构施工成型方法研究

刚性网格索穹顶结构施工成型过程中,其下部预应力索杆体系的成型与上部刚性网格的安装是一项非常关键的技术。在对国内外已建索穹顶结构施工成型方法进行总结的基础上,并结合国内在这方面取得的研究成果。提出了一种改进的索穹顶结构施工成型方法：索穹顶塔架提升索杆累积安装张拉成型方法。该方法可明显减小预应力拉索的牵引距离和牵引力,方便了拉索和撑杆的安装就位,施工过程中的安全性更易保证。     

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。     

肋环四撑杆型大开口弦支网壳体育场罩篷结构形态分析及优化设计

为从结构体系层面改善大跨度屋盖结构受力性能和经济性，提出一种肋环四撑杆型大开口弦支网壳的结构形式，可应用于大跨度体育场环形罩篷结构。与常规的弦支网壳不同，该结构的下弦节点设置四根撑杆，提高了整体结构的稳定性；且上弦层网格可采用铰接节点，减少环索和斜索的用量，预应力张拉施工便捷。区别于多撑杆类索穹顶，该结构上弦不采用索系而采用杆系，使造价经济，且便于铺设刚性屋面。针对该大开口弦支网壳，根据节点平衡方程，推导出了预应力态索杆内力一般性计算公式，分析了弦支网壳预张力分布随几何参数的变化规律。以跨度200 m的大开口体育场罩篷为例，通过全局敏感性及相关性分析，揭示了该弦支网壳整体刚度的主要影响因素为几何参数，而预张力仅起到维持局部稳定和预起拱的作用。基于两种改进遗传算法对该弦支网壳结构进行了优化设计与权衡分析，结果表明在满足稳定性前提下适当提高结构矢高和厚度，有利于改善结构刚度和经济性。最后对张拉施工和静力加载至整体失稳的全过程进行了模拟分析，表明该弦支网壳可高效利用上弦杆拉、压两端的截面强度，而施工阶段仍有必要引入临时支撑。     

葵花三撑杆型弦支网壳大开口体育场罩篷结构形态优化设计及张拉-受荷全过程模拟

提出一种新型葵花三撑杆型大开口弦支网壳的结构形式,可用于大跨度体育场环形罩篷结构.不同于传统弦支网壳,下弦节点处设有交汇的三根撑杆,可减少环索和斜索用量,便于张拉施工,且改善了整体结构的稳定性;还有别于拓扑相同的葵花三撑杆型索穹顶结构,上弦采用杆系替代昂贵的索系,使造价经济,且便于铺设刚性屋面.考虑不同的施工成型方法,探讨了主次结构型(先张主结构、后装次结构)和整体结构型两种结构形态.根据节点平衡方程,分别推导给出了两种结构形态的弦支网壳初始态索杆内力一般性计算公式,分析研究了多个参数对预张力分布的影响规律.文中还基于两类改进遗传算法对200m跨度的大开口体育场罩篷弦支网壳结构进行了优化设计,分析结果表明这种结构形式具有良好的技术经济指标.最后对张拉施工和逐步加载至整体失稳的全过程进行了模拟分析,提出改善结构施工过程及服役阶段承载安全性的建议.     

向心关节索杆体系弦支穹顶张拉模拟分析

将向心关节索杆体系应用于弦支穹顶结构中,改变以往张拉环向索通过环向拉索滑动传递预应力的方式,利用撑杆的转动位移建立预应力,避免环索与节点摩擦出现预应力损失的问题。以东亚运动会团泊自行车馆弦支穹顶张拉分析为例,采用有限元分析软件ANSYS进行施工放样态正分析找形和反分析找形,得到了结构张拉前的放样态。结果表明,反分析找形对于该类索杆体系放样态找形更加有利。经反分析找形,最终采用混合张拉方式,即先预紧径向拉杆,再张拉环向索。对张拉过程进行了全程模拟,得到张拉过程中张拉力及网壳位移控制值,获得设计预应力态。     

Levy型索穹顶动力特性分析

对Levy型索穹顶的索杆膜模型进行了动力特性分析,通过改变索穹顶的预应力水平参数,研究其对索穹顶动力特性的影响,结果表明,随着预应力水平的增大,结构频率增大,结构刚度呈增大趋势.     

轮辐式交叉索结构构形研究及其预应力态分析

以传统轮辐式索结构为基础,提出一类轮辐式交叉索结构,该类结构由双层外环压梁、双层内环拉索、内环撑杆、径向交叉布置的径向承重索、径向稳定索及它们之间的联系索杆组成。采用径向索交叉布置的新形式可减小结构层高度,改善结构整体抗扭刚度,同时形成的“空间谷脊效应”便于屋面组织排水。根据内环撑杆布置方式的不同,轮辐式交叉索结构又可分为竖撑杆型和人字撑杆型两种不同构形的轮辐式交叉索结构。基于节点平衡方程,对提出的两种轮辐式交叉索结构进行预应力态分析,推导出轮辐式交叉索结构预应力态内力的计算公式。此外还将轮辐式交叉索结构的预应力态受力特性与传统轮辐式索结构进行对比,并考虑不同内环结构高度、内外环几何中心高差等几何参数下结构的自应力分布情况。结果表明,轮辐式交叉索结构具有结构高度低、结构刚度大、受力合理等特点,在大型体育场等建筑中有很好的工程应用前景。     

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。     

旋转圆弧曲面索穹顶的预应力态分析和力学性能

提出一种母线为任意圆弧线的大矢跨比旋转圆弧曲面索穹顶的新形式.首先基于节点平衡原理，推导了旋转圆弧曲面索穹顶结构的索杆内力计算公式.然后研究了不同矢跨比与圆弧线矢长比对旋转圆弧曲面索穹顶结构预应力分布的影响，以了解结构预应力的分布规律和特性.最后，通过结构重力态的预应力损失分析、荷载态的极限承载力分析、荷载工况组合分析、几何参数对比分析以及模态分析，研究了旋转圆弧曲面索穹顶结构的静力性能与基本动力特性.结果表明，结构的刚度对厚跨比较矢跨比更为敏感、对矢跨比较圆弧线矢长比更为敏感，且半跨荷载较全跨荷载对结构更为不利.本文研究为索穹顶的分析计算、设计和造型提供了新形式和新思路.     

基于ANSYS的索穹顶施工过程逆向模拟分析

以实际工程为背景,采用非线性有限元法对索穹顶施工过程进行了逆向模拟分析,通过改变索长实现结构的整体提升,索长改变通过施加温度荷载实现。在ANSYS中建立了索穹顶的索杆梁有限元模型,主动索和辅助索为2节点索单元即link10单元,被动索采用多段的link10单元来模拟,撑杆为link8单元,内环梁为beam4单元。利用ANSYS中强大的APDL编程功能开发了索穹顶结构施工过程逆向模拟分析程序,为整体提升技术在大跨度索穹顶结构中的应用提供了有益的参考。     

弦支穹顶结构研究进展与工程实践

弦支穹顶结构是基于张拉整体概念并综合了单层网壳和索穹顶结构的优点后发展起来的一种预应力大跨度网格结构体系。本文在分析弦支穹顶提出的背景和力学原理的基础上,论述了国内外对弦支穹顶结构形态分析、优化设计、静动力性能、施工控制理论及其试验研究等方面的研究进展,总结了弦支穹顶相关的研究内容和研究结论。结合国内外近20项实际工程的应用,对弦支穹顶的跨度、上部网壳结构形式、下部张拉整体部分的布置、预应力施加方式、撑杆上节点和撑杆下节点等结构特性进行了分析总结,针对目前常用的预应力设计方法、节点构造、预应力张拉方案,提出了供工程应用参考的建议。指出了温度效应研究、考虑索撑节点滑移摩擦的动力反应分析、索力的测试及其补偿技术、超大跨度弦支穹顶设计理论等5项亟待解决的弦支穹顶关键课题。     

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。     

基于力传递的混合型索穹顶初始预应力计算方法

通过索穹顶结构对称性及节点平衡、力矩平衡,推导出竖向荷载由中心向外逐圈传递的各肢竖向力及水平力计算式;根据每肢所传递的竖向力及水平力大小,推导出脊索和斜索初始预应力计算式以及环向索和撑杆初始预应力计算式。对于Levy型索穹顶结构,当相邻2圈节点数变化时,内圈对外圈会出现3肢节点,成为混合型索穹顶,将3肢分为两类,推导了不同肢所传递竖向力和水平力计算式,从而得到了此类索穹顶初始预应力计算方法。新方法将索穹顶初始预应力分为两部分:一部分为竖向荷载下最小初始预应力值,一部分为预应力自平衡部分,其中,自平衡部分整体成线性变化,因此,可以通过提高最内节点上端径向水平合力大小提高整个索穹顶结构的初始预应力水平,从而满足各种荷载工况下的受力要求。最后,通过一个算例介绍了新方法的计算过程并验证了该方法的正确性。     

大跨度索穹顶新型索撑节点模型试验及性能分析

索穹顶结构的刚度是由索系预应力实现的,预应力损失对结构的安全性具有重要影响,而环索与撑杆相连的索撑节点设计与施工是保证环索实现预应力有效传递的关键技术。以内蒙古伊旗全民健身体育中心大跨度索穹顶结构工程为背景,研发了引入滑动轴承的新型索撑节点,从本质上改变了节点的受力特性,从而减小摩擦损失。通过分析索撑节点的几何构造,对预应力摩擦损失的计算方法进行研究。采用ANSYS对环索和索撑节点进行带摩擦的非线性接触有限元分析,通过模型试验监测数据反算预应力损失,将设计计算结果与实测数据分析结果进行对比。根据研究结果对索穹顶的索撑节点提出如下建议:索撑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;在保证加工制作精度和施工质量的情况下,索撑节点预应力损失设计取值为3%~4%。     

天津体育中心自行车馆钢屋盖弦支穹顶结构设计与分析

天津体育中心自行车馆钢屋盖采用弦支穹顶结构体系,针对正交网格弦支穹顶结构的特点,对上部结构网格进行优化以方便索杆体系的设置。分析了作用于结构的恒荷载、活荷载、风荷载、温度作用以及地震作用等,并对各种工况进行组合,分析结构静力、动力性能,确保结构安全可靠。分析表明:局部肋环形网格划分可以有效解决正交网格周边索杆体系布置困难的问题;向心关节轴承撑杆上节点可以简化铰接节点构造;地震参与工况对结构内力不起控制作用。