索穹顶结构的有限元法分析和张拉施工方法

回顾了全张力体系的概念以及索穹顶结构的发展历史,介绍了索穹顶结构的优缺点．以有限元分析理论为基础,采用五节点空间曲线索单元的非线性有限元法分析推导了索穹顶结构的非线性位移关系、几何关系、物理关系、本构关系以及平衡方程．最后结合模型和工程实际,提出索穹顶结构的张拉施工方法．     

大跨拉索穹顶轻型结构的计算

本文采用两节点铰接单元，以真实应力为参数对大跨拉索穹顶轻型结构进行了几何非线性静力分析，计算实例表明，本文提出的计算方法是有效的，并具有很高的精度，可作为设计索穹顶的理论和方法，同时该方法可进行索结构的形态分析。     

索穹顶结构施工过程时变力学分析

为了解决索穹顶结构施工过程分析的难题,应用非线性时变有限元方法对索穹顶结构施工过程进行了分析,全过程跟踪分析索穹顶结构在各施工阶段的力学性状,得出施工过程杆件内力和节点位移的演变规律,得出不考虑施工过程的时变效应对结构设计偏于不安全的结论,为该类结构的设计和施工提出指导性建议.     

TH-Levy型索穹顶局部构件失效时的受力性能

对存在脊索、斜索、环索或撑杆等局部构件失效时的新型TH-Levy索穹顶和传统型Levy索穹顶进行受力性能研究.采用非线性有限元法对在满跨荷载和半跨荷载作用下2种类型结构的静力性能进行对比分析,采用Block Lanczos法对2种类型结构的动力性能进行对比分析.分析结果表明,新型索穹顶的上环索在控制结构内力分布的均匀性和减小结构变形上起着重要作用. 当单根脊索失效时,新型索穹顶在设计荷载作用下能够保持较好的受力性能,传统型索穹顶完全失去承载能力;当单根斜索失效时,新型索穹顶的受力性能略优于传统索穹顶,二者在设计荷载作用下均能保持较好的受力性能;当单根环索或撑杆失效时,新型索穹顶未失效的部分结构仍然具有承载能力,可以避免完全坍塌,传统索穹顶完全丧失承载能力;新型索穹顶完整结构的各阶自振频率大于传统型索穹顶,单根脊索或斜索失效时的各阶自振频率下降幅度均小于传统型索穹顶,表明新型索穹顶的动力性能和结构刚度优于传统型索穹顶．     

索穹顶结构施工全过程分析

采用非线性时变有限元法,对索穹顶结构在各施工阶段的力学性状进行了全过程跟踪分析,得出施工过程杆件内力和节点位移的演变规律.计算结果表明,部分杆件在施工过程中的最大内力超出设计值的47%,得出不考虑施工过程的时变效应对结构设计偏于不安全的结论,最后为索穹顶结构的设计和施工提出指导性的建议.     

索穹顶结构初始状态确定与成形过程分析

在研究索穹顶结构的零应力状态、施工初始几何状态基础上,着重分析了索穹顶结构的施工成形过程几何形状和单元内力变化规律,揭示索穹顶结构的初应力产生机理以及施工过程中体系的变化特征.由于索穹顶结构成形过程涉及机构运动和单元内力分析、机构位移和弹性变形耦合,采用常规的有限元方法不能求解,而非线性有限元力法是一种有效的计算方法.结果表明,在索穹顶结构成形过程中,从开始很长时间内所有单元内力均处于较低水平,此时结构是一种机构状态,节点位移主要是刚体位移.当所有索进入工作状态时结构的体系从机构转变为具有一个自应力模态的、可刚化的稳定体系,各单元的内力迅速增大.说明了索穹顶结构的成形过程,也是预应力生成的过程.     

考虑膜材与索杆协同工作的索穹顶找形分析

为了全面了解索穹顶结构索杆部分和膜部分共同工作时的受力性能,基于索穹顶结构索杆部分刚度主要由预应力提供,通过控制索杆部分初始内力分布可以改变结构刚度的原理,结合非线性有限元法和奇异值分解法,对考虑膜材与索杆协同工作的索穹顶结构采用逐次逼近法进行了整体找形分析.算例分析表明,所提出的方法是准确有效的,它能够精确控制索穹顶结构的外形,使其满足建筑要求;同时,此种方法还有利于重新调整结构的内力分布,使结构整体受力合理.     

刚性索穹顶结构的近似优化与性能分析

针对索穹顶结构脊索容易退出工作、施工技术要求高、边环梁压力大等问题,给出一种把脊索换成刚性构件而成的刚性索穹顶结构,并采用均匀设计方法对刚性索穹顶结构进行近似优化分析.选用U12(37)均匀设计表,以一个跨度为60 m,承受轴对称均布荷载作用的肋环型刚性索穹顶结构为例进行分析,建立结果指标与设计参数之间的近似函数关系,获得近似优化的刚性索穹顶,并通过极值分析证明结果的可靠性.在此基础上,通过与相应索穹顶结构的分析比较,结果表明,刚性索穹顶结构具有上弦构件受拉、安装时只需张拉斜索,当向下荷载增大时,边环梁压力将逐渐减小.     

具有外环桁架的肋环型索穹顶初始预应力分布快速计算法

目的研究具有外环桁架的肋环型索穹顶的构件布置和特点,提出确定初始预应力分布的快速计算法.方法考虑到该结构是一种轴对称结构,将结构简化为半榀平面桁架,采用节点平衡理论进行分析.结果提出了确定初始预应力分布的快速计算法,得到了不设和设有内拉环的具有外环桁架的肋环型索穹顶预应力杆初始内力的计算公式,并将对特定参数的该种结构的计算结果与非线性有限元分析结果进行了对比.结论具有外环桁架的肋环型索穹顶结构是有发展前景的新型结构,内部建筑空间利用率高,外圈索的初始内力明显减小.快速计算法可方便地确定该类结构的初始预应力分布,为设计和力学性能分析提供基础.     

拉索对肋环型索穹顶结构的敏感性分析

针对在施工张拉过程中索穹顶结构拉索的初始预应力值难以与设计值一致的问题，为了找出索穹顶结构中的敏感拉索以指导设计与施工，采用正交设计方法分析了拉索对结构的敏感性。通过建立L49(78)正交表，以一个跨度为50 m，承受轴对称荷载作用的肋环型索穹顶结构为例，研究了拉索对结构的静力、动力及稳定的敏感性，并与其他敏感性分析方法作了比较。分析结果表明，拉索对结构的静力敏感性明显高于对动力和稳定的敏感性，并且拉索对结构的敏感性高低与拉索的位置有关，在整个结构中以外环索最为关键，在设计与施工中必须严格控制其应力状态。     

肋环型索穹顶结构的几何法施工及工程应用

针对索穹顶结构张拉难于控制和安装技术要求高的问题,提出一种只需张拉端部斜索的肋环型索穹顶结构施工成形方法.根据肋环型索穹顶结构竖压杆、脊索和斜索之间的几何关系,计算安装过程的竖压杆临时标高,设计并采用几何法安装了中国第一座索穹顶结构,验证了该施工成形方案的可行性.结果表明,几何施工法只需张拉端部斜索,索穹顶结构会自动成形,不需要大规模调整拉索的预应力,降低了施工技术要求,使索穹顶结构有可能得到普遍推广.     

索穹顶结构动力特性及多维多点抗震性能研究

为了弥补索穹顶这种新型大跨空间结构在动力方面研究的不足,通过对120 m跨度的肋环形索穹顶结构进行模态分析,得到了不同的参数对索穹顶结构的自振频率影响曲线;通过对其进行时程分析,发现了地震动的行波效应对结构的节点位移和杆件内力的影响规律,以及考虑多维地震与仅考虑地震单向输入之间的差别,为大跨空间结构的抗震设计提供了重要参考.研究表明,多点输入对于行波方向的位移影响显著,同时,对单元内力产生不利影响,因此,大跨度空间结构抗震分析中考虑行波效应与多维地震输入是必要的     

基于遗传算法的脊杆索穹顶优化设计

为了降低实际工程中索穹顶结构的造价,提出了一种基于遗传算法的优化设计方法,将预应力倍数和构件截面作为离散设计变量,在目标函数中考虑了结构的施工张拉程度.以Geiger和Levy两种索穹顶作为算例,得到了在多种荷载工况下满足结构应力和位移约束的索穹顶最小造价,并研究了预应力对优化结果的影响.将索穹顶的脊索替换为可受压的钢杆后,对改进方案——脊杆索穹顶进行了优化设计,并与原结构对比了结构造价和力学性能.结果表明:该方法能够高效准确地得到造价最小的索穹顶结构,各构件内力比较接近其极限设计状态;有必要在索穹顶的设计过程中考虑预应力分项系数和活荷载不均匀分布等因素,以满足结构稳定性和单根构件承载力的要求;采用钢杆替换脊索,使索穹顶结构的总造价稍有降低,并显著降低了结构挠度和支座反力.     

航空声纳探头——缆绳系统三维模型及运动分析

在分析了缆绳空间形状和张力以及声纳探头受力的基础上，建立了航空声纳探头-缆绳动力学系统的三维空间数学模型。给出院两之间相互影响的关系。最后通过实例进行了具体的分析计算，所得结果与实验结果相符，表明所建模型的正确性以及在缆绳拖曳问题中的应用价值。     

索穹顶与单层网壳组合结构的模型试验研究

研究索穹顶与单层网壳组合的新型空间结构的受力性能.设计肋环型索穹顶与肋环双斜杆型单层网壳组合的结构,对其进行下部索穹顶预应力张拉试验以及结构在全跨和半跨荷载下的静力性能试验.根据试验结果对试验的计算模型进行修正,并将结构在全跨和半跨荷载下的试验实测数据与理论分析结果进行比较.结果表明,实测数据与理论分析之间差异较小,模型设计和试验方法合理,理论分析方法正确.修正的计算模型能准确反映结构的力学性能.