张弦梁结构的分析与力学性能研究

张弦梁结构由上弦梁与下弦索通过竖向撑杆组成,其力学性能优异、结构效率高,在屋盖结构尤其是楼盖结构中有较好的应用前景。本文对张弦梁结构的分析方法与力学性能进行了系统的研究,根据张弦梁结构的自平衡特点,对索与梁建立变形协调方程,给出了张弦梁结构的平衡微分方程,设定位移函数,用伽辽金法进行求解。分别求得张弦梁结构在均布与反对称荷载下内力与位移的解析解。为证实这一连续化理论计算方法的准确性,特与非线性有限元计算结果进行了分析比较,证明本理论方法计算方便、直观精确,可用于张弦梁结构的分析与计算。根据理论公式,对张弦梁结构的静力性能进行了讨论,包括结构的线性性能、结构刚度、反对称荷载下的变形、预应力的控制作用与支座水平位移等方面,对张弦梁结构的研究与工程应用有较好的指导意义。     

基于能量原理的张弦拱结构求解与受力特性研究

根据张弦拱结构的变形特点,设定结构位移函数,并结合荷载条件,建立结构势能表达式。根据结构上弦拱、下弦索水平位移,按支座变形协调条件导出协调约束要求;在此基础上,引入拉格朗日乘子法,由势能驻值原理,运用瑞利-里兹法,求解出结构竖向位移及索力表达式。根据结构应变-位移微分方程得出上弦拱与下弦索的水平位移函数及撑杆相对位移表达式;对求解结果进行分析与简化,得出表达简洁、物理意义明确的简化公式。最后,通过多个算例,把理论分析公式、简化公式及有限元分析结果相互印证,证明分析结果的正确性。     

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。     

某大跨拱桁架结构合理拱轴线的选型

本文分析了在分段荷载作用下拱结构的受力模式,通过理论分析,得出相应合理拱轴线的方程曲线,并给出考虑轴力情况下的拱轴线修正方法。结合实际工程项目,某大跨拱桁架采用钢管桁架结构,拱轴线为空间曲线,主拱跨度为147m,次桁架跨度27～30m,拱高21m,拱脚平面投影30°,南北支座高差5.25m。本文通过上述理论分析结果,进行参数化分析,得出在此复杂边界条件下的合理拱轴线曲线。采用SAP2000软件对优化后的拱结构与原拱结构进行计算分析对比,通过对内力分布、结构位移等结构特性关键指标的分析,验证上述理论分析的正确性,以及本工程采用拱轴线的合理性。以上分析过程、设计思路可为今后类似工程提供参考。     

截面为倒三角形的格构式圆弧拱屋盖系统的稳定性设计探析与应用

对钢拱结构的分类、受力特点、钢拱结构整体稳定性类型及分析方法进行阐述;指出圆弧钢拱结构的失稳类型,解释圆弧钢拱失稳破坏的特点;对纯压拱和压弯拱稳定性设计方法进行比较。结合空间格构式圆弧钢拱屋盖工程实例,参照国内外相关拱结构稳定性理论的研究文献和成果资料,对圆弧钢拱结构受力进行分析,对压弯钢拱稳定性设计的计算方法进行验算,提出提高钢拱结构稳定性的措施。     

平面张弦结构的平面内整体稳定性研究

本文对平面张弦结构的平面内整体稳定性进行了分析与研究。按平面张弦结构的构成特点,提出下弦索对提高张弦结构整体稳定性的回复力模型,推导了平面张弦结构的屈曲平衡方程,得到了张弦结构的一阶屈曲临界荷载。将理论值与有限元计算结果进行了比较,证明了理论推导公式的准确性。研究结果表明,与两铰拱相比,张弦结构的整体稳定性有很大幅度提高。对平面张弦结构各类型(张弦梁、张弦拱、系杆拱与拱形张弦拱)的整体稳定性进行了分析与比较,讨论了竖腹杆设置数量对整体稳定的影响。按保证整体稳定性考虑,给出了上弦拱为圆管时对截面惯性矩的控制要求。     

张弦穹顶结构非线性稳定分析

在张弦穹顶结构静力计算的基础上,根据几何非线性以及材料非线性,对张弦穹顶的非线性稳定进行了深入系统的分析,包括结构参数对屈曲承载力的影响,并与相应的单层网壳结构进行了比较;采用弧长法对张弦穹顶结构荷载-位移全过程的平衡路径进行跟踪。分析结果可供实际工程参考。     

拱的内力有限元分析

通过建立拱结构平衡方程和拱结构的几何方程,推导出拱的位移控制微分方程,然后得到拱结构力学性能分析的精确有限单元法,最后结合算例将该方法与有限元分析软件进行对比。     

张弦拱结构的动力特性研究与伽辽金法求解

针对张弦拱结构根据索与拱的受力特性与变形协调关系推导了其动力平衡微分方程,再根据对称振型下索力与拱轴力变化的特点,采用多项正弦函数逼近并采用伽辽金法求解结构振型与频率。为便于工程应用,给出了张弦拱架动力特性的简化计算公式,将其结果与有限元法比较,证明该法方便直观且较准确,最后依据结构参数变化进行讨论并给出一些有用的结论。     

索-拱结构的平面内稳定性研究

本文应用非线性有限元方法研究了索 拱结构的平面内稳定问题。文中使用牛顿 拉弗森法和弧长法对荷载 位移平衡路线进行跟踪研究,研究了索对结构的极限荷载和平衡路径的影响;分析中考虑了不同荷载作用、不同边界条件和不同矢跨比对索 拱结构稳定性能及变形性能的影响,从中获得了对索 拱结构设计有益的结论。     

天津东站多跨连续张弦桁架预应力拉索施工技术

多跨连续张弦桁架结构是一种新型的空间张弦结构形式,本文的预应力张弦桁架为五跨连续布置,而非单跨布置,结构形式也不同于常规张弦结构,体系较柔,索的预应力作用明显。本文根据该结构形式的受力特点确定了张拉时先分后合的施工顺序,在保证达到使用状态的前提下,按照简支梁的张拉工艺进行张拉,达到预起拱的目的,施工中对张拉力和变形进行了严格的控制,满足了建筑外观的设计要求。本文的有限元施工模拟,准确地提供了施工张拉时的参考数据,并根据施工状态对结构构件的受力变化进行了验算。本文的施工技术可为同类工程提供重要的参考依据。     

拉索拱结构几何非线性分析的实用方法

拉索拱结构是大变形组合结构。本文应用有限元方法,结合拉索拱结构的特征,提出了空间梁索单元相结合的混合有限元模式。在Timoshenko梁假定的基础上,考虑了拱结构的轴向、剪切、弯曲和扭转效应,导出了拱大位移、大转动问题的UL列式。索单元采用三节点二次曲线元。算例表明,用本文方法编制的NAPA程序,具有分析大跨空间结构几何非线性能力,是进一步研究拉索拱结构的有效工具。     

预应力大跨度空间钢结构的应用与展望

本文主要阐述了我国预应力大跨度空间钢结构应用与发展的基本情况。这些顶应力空间钢结构包括有预应力网络结构、斜拉网络结构、张弦梁结构、弓式预应力钢结构等。最后,本文展望了新世纪的预应力空间结构。     

拱支预应力网架结构的预应力全过程分析方法

以武汉长江防洪模型试验大厅为工程背景,提出一种新型的杂交空间结构体系：拱支预应力网架结构一结合该结构体系的特点,从索初始形变的角度出发,建立了该结构的刚度法理论,并提出了预应力全过程分析的混合影响矩阵法、循环迭代逼近法、索初始形变“顺序分析法”以及索张拉力“顺序分析逆迭代法”等方法,形成该结构预应力全过程分析的完整理论,不仅适用于拱支预应力网架结构,也适用于其它类似的杂交空间结构。最后,通过长江防洪模型试验大厅工程实际算例验证了该方法的准确性和有效性。     

纯压圆弧形钢管桁架拱平面内稳定性能及设计方法

目前针对钢管桁架拱平面内稳定性能及承载力的研究较少,缺少相应的设计方法。提出了钢管桁架拱截面剪切刚度表达式,考虑剪切变形的影响推导了纯压两铰圆弧桁架拱屈曲荷载的简化计算公式以及换算长细比表达式。基于有限元方法,全面分析了截面高宽比、矢跨比、腹杆夹角及腹杆截面尺寸等不同参数对平面桁架拱和空间桁架拱弹性屈曲性能的影响,结果表明采用简化公式与有限元分析结果吻合良好。借鉴实腹拱和格构柱的稳定设计方法,采用大挠度弹塑性有限元法系统研究了平面及空间纯压桁架拱的相关稳定承载力,发现节间弦杆长细比与桁架拱整体长细比的比值是衡量局部稳定对整体稳定影响的关键参数,在此基础上提炼出纯压桁架拱的相关作用影响系数,并拟合得到了纯压桁架拱的稳定设计曲线,从而为一般荷载作用下压弯桁架拱的稳定承载力的设计奠定了基础。     

SVM在张弦桁架施工变形预测中的应用研究

在介绍支持向量机的理论基础及其在时间序列预测中应用方法的基础上,建立一种基于支持向量机的结构变形预测方法。通过在某会展中心张弦桁架实际变形数据中的应用并与AR模型预测方法进行对比,验证了基于支持向量机的结构变形预测方法的准确性和优越性,该方法有较高的预测精度,并且在预测区间较长情况下同样有效,具有较大的研究意义并可以在实际预测中应用。     

利用梁柱大变形理论对充气拱结构进行简化计算

充气构件结构是膜结构的一种,其计算十分复杂。为此,介绍一种利用梁柱大变形理论进行充气结构计算的较为简化的方法。由于充气拱结构属于高压体系,在初始内压下,薄膜内的初始应力较高(相对于低压体系),其变形基本上属于整体变形。因此,可以将充气拱分为若干段杆件,并根据梁柱大变形理论分析充气拱结构在荷载作用下的特性。     

整体张拉及杂交结构体系的特点与应用

重点介绍了空间结构近几年出现的若干新结构形式以及它们的构成和受力特点、主要设计问题及设计理论;这些新结构涉及到:索穹顶结构、弦支穹顶结构及巨型网格弦支穹顶结构、张弦梁(拱)及张弦桁架结构、悬吊索系及斜拉结构、车辐结构及索拱结构等。     

拱形支护结构的内力、变形计算

针对工程上采用的拱形支护体系,利用壳体理论建立其微分方程,进而计算出支护结构的内力和变形,由于考虑了此种支护结构的空间特性,故这种方法更加符合它的实际受力情况,同时,结合工程实例对拱形支护结构进行了分析。