张弦梁结构若干问题的探讨

张弦梁(桁架)结构已在我国大型工程中有所应用,但对该种结构的设计和施工过程的理论研究并不完善.对张弦梁结构设计和施工过程中的若干问题进行了较为深入的理论研究,包括该结构各个单元的预应力分布、施工过程的模拟分析等.首先,将平衡矩阵理论推广应用于包含索杆梁三种单元的杂交空间结构,给出了二节点梁单元和杆单元单元平衡矩阵的一般表达式,并对一小型张弦梁结构的整体平衡矩阵进行了分析,求得其独立自应力模态数为一.其次,提出了基于将索、杆单元和梁单元分开的结构分块的分析方法--局部分析法.该方法不仅可以用来求解张弦梁结构的初始预应力分布,同时也可以用于确定体系的零状态几何形状.因而求解张弦梁结构初始预应力分布就有了两种方法.最后,算例分析验证了方法的正确性.     

张弦梁挑蓬结构的试验研究

将张弦梁原理运用到悬臂结构,进而构造出一种环状悬臂张弦梁挑蓬结构．继理论分析之后,为了验证这种结构的受力性能,通过静力试验重点分析模型在全跨和半跨荷载下的承载规律,之后从模态试验分析中,进一步了解结构的刚度和动力特性．试验结果表明：(1)结构受力合理,抵抗非对称荷载能力较强,有很好的整体稳定性;(2)与柔性悬索结构相比,结构第1阶自振频率较高,有较好的刚度;(3)设计时给定了拉索的位置,该种结构的施工相对于索穹顶、环状索一桁张力挑蓬要容易．     

张弦梁结构施工技术

通过本工程张弦梁结构的施工,掌握了大跨馊钢结构张弦梁吊装、定位、焊接、张拉、予应力、变形控制的有关施工技术,积累了一套钢拉杆张拉施工的系列化数据,为以后类似工程的施工积累了一定的经验。     

初始缺陷对三向张弦梁结构整体稳定性影响研究

三向张弦梁结构是新广州站工程采用的一种新型张弦梁结构,因此有必要对三向张弦梁结构的整体稳定性能进行深入的研究。该文首先对随机缺陷模态法进行了改进,使其更适用于网壳与张弦梁混合结构的缺陷稳定性分析。然后分别采用改进的随机缺陷模态法和一致缺陷模态法对三向张弦梁结构的缺陷稳定性进行了研究。分析结果表明:改进后的随机缺陷模态法更适用于网壳和拱梁混合结构形式的缺陷稳定性分析;缺陷越大,该三向张弦梁结构对缺陷越敏感,整体稳定性能受缺陷的影响越大;与理想结构破坏模式最接近的特征值屈曲模态为最不利的特征值屈曲模态,按此模态施加初始缺陷后的结构承载力最低;按非线性屈曲模态对结构施加缺陷得到的结构极限承载力小于按特征值屈曲模态施加缺陷的情况,与随机缺陷模态法的结果最为接近。     

几何非线性梁单元分析及CAD实现

本文基于Ｕｐｄａｔｅｄ Ｌａｇｒａｎｇｅ列式推导了一维梁单元几何大位移有限无列式。理论及算例表明，与Ｂａｔｈ的三维梁元相比，节约了较多的计算费用，并获得了较好的精度。     

张弦梁结构振动方法索力识别（Ⅱ）：实用公式及误差分析

基于提出的张弦梁结构下弦拉索频率方程,研究了运用数值迭代求解方法进行索力求解的数值稳定性. 结果表明,基于数值迭代求解方法识别索力精度无法保证.为提高精度及简化计算,通过分析迭代计算得到的反映频率与索力相关关系的曲线,和已有索力识别经验公式的形式特点,进行数值拟合,提出一组索力计算的实用公式.并对方法的误差敏感性、识别精度等进行了讨论.     

利用一种混合梁单元修正结构半刚性节点及边界条件

本文针对半刚性节点结构的节点及边界条件的有限元模型修正问题进行了研究。由于现有的修正算法均是针对半刚性节点所具有的转动柔性进行研究,而实际结构的节点往往沿剪切方向也具有一定的柔性,所以为了同时修正半刚性节点所具有的转动及剪切柔性,本文提出了一种适合于有限元模型修正的混合梁单元。此外,针对结构边界条件的模型修正问题,提出了一种参数化的修正方法。最后,将本文所提方法应用于一个梁式结构的有限元模型修正问题。通过测试得到的结构频率、振型成功修正了该梁式结构的节点及边界的连接刚度,从而验证了本文所提方法的可行性。     

双向张弦梁结构的多维地震响应分析和计算

采用随机振动理论的功率谱法,对双向张弦梁结构在多维地震作用下的动力性能及抗震计算两方面问题进行了探讨。以一个90m×90m的双向张弦梁屋盖结构为算例,分析了结构的自振特性、多维地震下的位移和内力响应特点、各地震动分量对结构响应的贡献以及上下部协同工作的影响等。在地震作用计算方面,对组合振型数的选取、预应力效应的影响、阻尼比的敏感性以及《建筑抗震设计规范》(GB50011)的多维地震效应组合方法的有效性进行了考察。对双向张弦梁结构的一些非常规地震响应特点给予了强调,提出抗震计算方面的建议,可供设计人员参考。     

浅析大跨度张弦梁的结构特浅析大跨度张弦梁的结构特点及其分析

浅析张弦梁结构应用、特征、结构形成过程以及所要研究的重点与方向。     

高温下张弦梁结构力学特征解析解

在实腹钢梁或钢桁架下部张拉预应力高强钢索形成预应力张弦梁结构,然而钢索的预应力对温度变化敏感,因此火灾是危及张弦梁结构安全性的重要灾害,求解高温下结构的力学特征解析解是进一步研究其火灾安全性能的理论基础。考虑高温下钢材材性的衰减、非线性热应变以及几何形变的耦合,建立张弦梁结构高温下梁单元与索单元建立基本平衡微分方程,分别推导出在均布荷载作用下张弦梁结构在均匀温度场及非均匀温度场中,结构跨中挠度、预应力索水平张力和撑杆轴力的解析解;并且基于张弦梁结构力学特征解析解,对比分析了张弦梁结构热力耦合数值分析模型的可靠性,可为后继设计张弦梁受火试验方案及研究其受火破坏机理提供参考。     

基于退化梁单元的混凝土结构徐变分析

应用退化梁单元分析了混凝土结构的徐变问题.在实际混凝土结构中,混凝土结构的徐变与混凝土开裂等非线性行为存在相互耦合作用.退化梁单元采用了三维结构的几何和物理方程,结合分块积分技术,可以方便地模拟钢筋混凝土结构的各种非线性行为.应用Trost-Bazant方法,建立了退化梁单元混凝土结构徐变分析计算方法.算例分析表明了计算结果的正确及在实际混凝土结构徐变分析中计入非线性行为的必要性.     

钢管混凝土结构材料非线性的一种有限元分析方法

为了更简单地考虑梁单元的材料非线性受力性能,把断面广义力和广义应变的概念运用于单元分析中,将单元的弹塑性刚度矩阵分离为弹性刚度矩阵和塑性刚度矩阵。这样,梁单元的变形可以由弹性变形和塑性变形简单地迭加,结构内力可通过弹性应变能的斜率(弹性刚度矩阵)与位移的乘积求得,从而在增量-迭代计算时可较准确且较快地计算出结构变形后的不平衡力。应用这一计算方法,推导了基于纤维模型的三维梁单元的钢管混凝土结构的有限元基本公式,并将其植入能考虑几何非线性的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D中以计算结构的双重非线性问题。算例分析表明该方法和程序能较准确地反映钢管混凝土结构的双重非线性特性。     

大跨度张弦梁的结构特点和研究的重点方向

浅析大跨度张弦梁结构的应用情况、结构特征、结构成型过程及结构研究的重点与方向：     

边界条件对短梁结构有限元分析影响的研究

梁结构在工程设计中有着广泛应用,其支承情况多种多样,往往不能简单地按理想的固支或简支梁来处理.以一种混合边界条件下短梁结构为研究对象,进行了短梁的模态试验,并基于Abaqus有限元软件,分别对端面固定边界约束、一端固定边界约束、弹性+固定边界混合约束条件下短梁结构进行模态分析.结果表明,边界约束条件通过改变系统刚度,导致模态特征改变.不同边界条件下的梁结构约束模态特征具有显著差异.采用混合边界条件的梁结构约束模态频率与试验结果吻合.     

Timoshenko梁能量守恒逐步积分算法

该文提出了Timoshenko梁非线性动力分析的能量守恒逐步积分算法。采用共旋技术考虑结构的几何非线性,空间离散采用相关插值形式,避免了剪切锁定现象。在时间离散时利用多参数修正方法对等效的节点动力平衡方程进行修正,实现了离散系统在保守荷载作用下的能量守恒。算法具备二阶局部精度,与已有的平均加速度方法和隐式中点方法相比,具有更好的数值稳定性。在二维情形下与Simo方法对比,指出了Simo方法在受保守外弯矩作用时系统能量不守恒。最后,通过三个数值模拟算例验证了算法的性能和能量守恒特性。     

张弦梁结构振动方法索力识别(Ⅱ):实用公式及误差分析

基于提出的张弦梁结构下弦拉索频率方程,研究了运用数值迭代求解方法进行索力求解的数值稳定性。 结果表明,基于数值迭代求解方法识别索力精度无法保证。为提高精度及简化计算,通过分析迭代计算得到的反映频率与索力相关关系的曲线,和已有索力识别经验公式的形式特点,进行数值拟合,提出一组索力计算的实用公式。并对方法的误差敏感性、识别精度等进行了讨论。     

基于等参公式的三节点梁单元

为了提高非线性分析的计算精度和效率,详细介绍了基于等参公式的三节点梁单元,推导了这种梁单元考虑几何非线性的切线刚度矩阵,并给出了高斯积分点的分布。在此基础上编制有限元程序,考虑了单元的大转角、大位移和剪切变形的影响,并采用von-Mises屈服准则和Zeigler随动硬化法则考虑了材料非线性的影响。与试验结果和通用程序的对比分析表明,这种方法具有较高的精度和效率,并且能方便地用于变截面杆系结构的空间双重非线性分析。     

三维杆系结构的几何非线性有限元分析

为了更准确地描述杆系结构的几何非线性性能,建立了一种基于三维梁单元有限元分析的计算方法。引入了考虑两方向曲率和扭转角变化的坐标转换矩阵来描述任意增量下的单元平移和转动;采用了包括轴向变形和扭转的非线性项的刚度矩阵来考虑高阶非线性项的影响。应用广义位移控制法进行增量迭代,编制了相应的三维梁单元非线性计算程序NL_Beam3D。通过对几个例子进行的分析,验证了该方法可较好地考虑结构几何非线性。     

张弦梁平面外弹性稳定性能研究

无平面外支撑的张弦梁在平面内受荷过程中可能发生平面外失稳。该文首先将张弦梁的平面外失稳分为索撑体系的失稳和张弦梁整体失稳,并采用平衡法和能量法对索撑体系的稳定性进行研究;其次对于张弦梁平面外整体失稳,指出将撑杆和拉索的作用等效为集中力、提取钢梁进行稳定设计的方法并不安全;该文采用Ritz法建立张弦梁的势能方程,结合势能驻值原理,得到张弦梁在全跨均布荷载和纯弯荷载下的平面外弹性屈曲荷载,结果与有限元吻合较好。该文得到的张弦梁平面外屈曲荷载计算公式对其平面外稳定设计具有参考作用。     

高温下张弦梁结构力学特征解析解EI北大核心CSCD

在实腹钢梁或钢桁架下部张拉预应力高强钢索形成预应力张弦梁结构,然而钢索的预应力对温度变化敏感,因此火灾是危及张弦梁结构安全性的重要灾害,求解高温下结构的力学特征解析解是进一步研究其火灾安全性能的理论基础。考虑高温下钢材材性的衰减、非线性热应变以及几何形变的耦合,建立张弦梁结构高温下梁单元与索单元建立基本平衡微分方程,分别推导出在均布荷载作用下张弦梁结构在均匀温度场及非均匀温度场中,结构跨中挠度、预应力索水平张力和撑杆轴力的解析解;并且基于张弦梁结构力学特征解析解,对比分析了张弦梁结构热力耦合数值分析模型的可靠性,可为后继设计张弦梁受火试验方案及研究其受火破坏机理提供参考。