索杆张力结构静力位移的近似模态表达与间接测量

预应力贡献的几何刚度和材料贡献的线弹性刚度共同构成索杆张力结构的整体刚度,但既有结构中往往存在不可忽视的预应力偏差、甚至构件损伤,它们可能使结构刚度退化甚至失效.作为柔性结构,索杆张力结构的刚度性能应当被重点监测.而对控制荷载(工况)作用下既有结构的变形进行测量,是评价结构刚度是否发生变化的一个有效手段.但工程实践中一般很难对控制荷载进行大规模且精确加载,因而需要对结构变形进行间接测量.本文发现在给定荷载模式下,索杆张力结构的静力位移总是可以近似表示为少数相同模态(即贡献模态)的线性组合,结构参数变化对静力位移的影响主要体现在贡献模态线性组合系数的变化上,因此既有结构静力位移的监测问题可以转化为贡献模态组合系数的测量问题.本文还发现,通过测量某些满足一定条件的简单荷载所产生的位移,可以间接计算出控制荷载所对应的贡献模态组合系数,从而提高控制荷载所产生变形的测试效率.某Geiger索穹顶算例验证了静力位移近似模态表达式的准确性,以及基于简单荷载的静力测试来间接测量控制荷载所产生变形的可行性.     

地震作用下悬臂类结构的模态截断方法

为估计模态叠加法中模态截断对结构地震作用下位移、速度、加速度反应的影响，对比分析了累积振型参与质量误差、静荷载参与比误差、质量相关荷载作用下的位移误差、累积振型贡献系数误差、累积振型加速度贡献系数误差和单位阵误差等模态截断指标随模态数目增加的变化规律。以一个5层剪切框架、一个单向不对称的4层框架和一个框架支撑结构的地震反应为例，讨论了结构位移、速度和加速度反应的模态截断误差与模态截断指标的关系。算例分析结果表明，静荷载参与比误差高估了低阶模态的影响而使模态截断数目偏少；质量相关荷载作用下的位移误差所得模态数目不稳定，这两个指标不适合作为模态截断的依据。对于悬臂类结构，模态截断所产生的累积误差以加速度的最大，速度的次之，位移的最小；对于位移反应，首层平动位移的累积振型贡献系数误差和累积振型参与质量误差可作为位移反应模态截断的依据；高阶模态对结构加速度反应的贡献大于对位移反应的贡献，应采用累积振型加速度贡献系数误差作为加速度反应模态截断的依据。     

索杆结构的合理预应力设计

索杆张力结构(简称索杆结构)只有在施加了预应力之后,结构才具有刚度,才能承受荷载,但是预应力程度究竟应该多大才合适一直困扰着设计人员。提出了最大设计荷载作用下的索杆结构合理预应力的确定方法。自行编制了基于平衡矩阵增量非线性分析方法的计算机程序,并对一个具有一阶自应力模态的索杆结构进行分析计算。计算结果表明该程序具有相当高的精度,此理论适合工程的应用。     

大跨度索杆张力结构的预应力分布计算

针对多自应力模态与机构位移模态索杆张力结构可行预应力分布求解的最复杂情形,为得到一种具有一定普遍意义的预应力优化求解策略,以该结构体系的一种新形式——大跨度环形平面空间索桁张力结构为基础,考虑其几何拓扑形式多样的特点,应用结构平衡矩阵理论与代数奇异值分解算法,通过对结构模态矩阵的分解变换及其组合运算,提出了一种可依据结构预应力分布的不同优化目标进行求解的新方法——目标选择优化法,使多自应力模态索杆张力结构体系的可行预应力分布求解工作得以便捷的实现。在此基础上,对大跨度索杆张力结构的预应力分布计算方法分三类进行了较为全面的总结;通过三种不同形式新型空间索杆张力结构的可行预应力分布求解算例,验证了上述计算方法的简捷与有效。     

某雷达塔架在风荷载作用下的动力时程分析

以武汉市某雷达塔架为例,采用有限元方法对其进行时程风荷载作用下的动力时程分析,得到塔架的时程位移、时程速度和时程加速度响应,并将塔架结构在静力风荷载下的位移响应和最大应力与在脉动风荷载作用下的时程位移峰值和应力峰值作了对比和误差分析,为该类型的结构风振分析提供参考。     

索杆张力结构力密度找形分析方法

根据索杆张力结构体系特征,建立了一种修正的力密度平衡形态分析方法;基于单纯索网体系力密度法,推导出了索杆自平衡体系力密度平衡方程;根据索杆张力结构的自应力模态、机构位移模态、无约束自平衡条件和力密度矩阵数值特征,推导出了力密度矩阵的秩亏条件,并引入力密度和节点向量线性条件约束索杆结构的几何模型;通过高斯变换降秩法得到满足秩亏的降秩力密度矩阵,并由M-P广义逆矩阵更新了力密度,迭代计算后得到可行力密度;根据一组独立无关坐标和拓扑关系计算了平衡形态位形,最后采用VC++编程实现了算法。结果表明:该方法适用于索杆张力结构的找形分析,具有一定的正确性和有效性。     

空腹索桁张力结构初始预应力、静力性能及误差敏感性的模型试验研究

为进一步探索空腹索桁张力结构初始预应力分布、静力性能及误差敏感性,在理论分析的基础上,设计加工了一直径5m的结构模型.提出了该模型支承平台、可调索杆、连接节点等加工制作方案及基于最小二乘法的各测点内力-应变关系拟合方法,考察了张拉各构件到设计长度时的体系初始预应力分布,模型在满跨、半跨和1/4跨等多种荷载工况下的静力响应及通过调整杆件长度模拟杆长误差以考察长度的误差敏感性.研究表明,当所有构件都张拉到设计长度时,空腹索桁张力结构初始预应力分布将达到设计值;结构在不对称荷载作用下易发生平面外失稳,平面外刚度较差,而在整体均布荷载作用下表现出良好的承载性能;环索长度误差敏感性最明显,脊索、斜索次之,桅杆最弱.初内力分布、多种荷载工况下的静力响应及误差敏感性分析理论值与实测值基本吻合,表明了理论分析的正确性和模型设计的有效性.     

基于误差控制的索杆张力结构张拉成型方案的选择

针对在索杆张力工程中普遍存在施工误差、同时又缺乏能有效控制误差效应的张拉方案选择技术现状,首先基于随机理论构建了杆件长度误差的数学模型,并通过分析索杆张力结构的自应力模态数和机构位移数提出了确定主动索数的基本思路;然后基于空间铰接索杆结构的三大方程构建预张力偏差与杆件长度偏差的基本关系,并在此基础上进一步构建了以主动张拉索索内力可精确控制条件下其余被动索索内力偏差与杆件长度偏差关系,由此来分析评价各张拉成型方案被动索杆内力偏差效应,进而提出能有效控制误差效应的张拉成型方案优选方法;最后以算例分析表明,通过机构分析可初步确定主动张拉索数,不同张拉成型方案具有不同的施工精度,实际工程中可结合施工条件优先选择施工精度高的张拉成型方案。     

基于灵敏度矩阵特征值的索杆张力结构主动张拉索优选方法

施工时合理选择主动张拉索是控制索杆张力结构预张力偏差的主要措施。以单元的预张力偏差平方和作为评价整体结构预张力偏差的指标,通过对反映单元预张力偏差与索长误差关系的灵敏度矩阵进行谱分解,将该指标表示为索长误差与灵敏度矩阵的特征值和特征向量的解析关系式,理论上解释了选择不同主动张拉索会使灵敏度矩阵特征值发生变化,从而直接影响到对结构预张力偏差的控制效果。由于灵敏度矩阵特征值具有衰减迅速的特点,故采用其一阶特征值和特征向量可有效估计结构的最不利预张力偏差。进一步以灵敏度矩阵的一阶特征值为评价指标,基于遗传算法提出了一种主动张拉索的优选方法。以一实际索杆张力结构为例,进行不同条件下的主动张拉索优选分析,其结果验证了优选方法的有效性。     

An approach for choosing optimal actively-stretched cablesof cable-strut tensile structures based oneigenvalue of sensitivity matrix

施工时合理选择主动张拉索是控制索杆张力结构预张力偏差的主要措施。以单元的预张力偏差平方和作为评价整体结构预张力偏差的指标,通过对反映单元预张力偏差与索长误差关系的灵敏度矩阵进行谱分解,将该指标表示为索长误差与灵敏度矩阵的特征值和特征向量的解析关系式,理论上解释了选择不同主动张拉索会使灵敏度矩阵特征值发生变化,从而直接影响到对结构预张力偏差的控制效果。由于灵敏度矩阵特征值具有衰减迅速的特点,故采用其一阶特征值和特征向量可有效估计结构的最不利预张力偏差。进一步以灵敏度矩阵的一阶特征值为评价指标,基于遗传算法提出了一种主动张拉索的优选方法。以一实际索杆张力结构为例,进行不同条件下的主动张拉索优选分析,其结果验证了优选方法的有效性。     

面向控制随机索长误差效应的索杆张力结构张拉分析

针对索杆张力结构的施工张拉设计,建立了一种定量评价不同施工张拉方案对索长误差效应控制效果的分析方法。假定索长误差变量服从正态分布,分别针对原长控制法和索力控制法推导了索长误差和预张力偏差的解析关系式,进而给出了随机预张力偏差的均值和方差计算式。分析了主动索的合理选择能够减小索长误差效应的原因。以控制结构最大预张力偏差水平为目标,提出了一种基于遗传算法的主动索优选策略。以实际索杆张力结构为例,利用建议方法分析了该结构在不同张拉方案下预张力偏差的分布特性,并对张拉方案进行了优化分析。计算结果表明：索长误差对索杆张力结构初始态预张力造成的偏差不可忽视,合理选择张拉方案是控制索长误差效应的重要措施。     

超高层建筑风致响应及等效静力风荷载研究

以重庆宾馆为工程背景,制作了缩尺比为1∶300的试验模型,并进行了刚性模型同步测压风洞试验,采集了重庆宾馆建筑表面的脉动风压时程。风洞试验包括有周边建筑和无周边建筑两类工况。采用风洞试验的脉动风压时程数据,考虑该高层建筑2个主轴方向的前4阶弯曲模态,进行了其风致响应研究,得到了建筑顶部的位移响应和加速度响应,并进行了人体舒适度验算。采用惯性风荷载法,研究了建筑主轴方向的等效静力风荷载。结果表明:对于高度为300m的混凝土高层建筑,仅考虑1阶模态进行风致响应分析,位移响应能满足工程精度的要求,但加速度响应误差较大,至少应考虑前4阶模态;重庆宾馆10年重现期下建筑顶部的峰值加速度为0.144m/s2,满足舒适度限制要求;横风向平均风荷载较小,但惯性风荷载较大。     

大型储气罐风洞试验研究

根据某大型储气罐多点同步测压风洞试验数据,分析储气罐表面风压分布情况,并将不同高度处平均风压系数值与规范值进行对比,得出荷载规范所对应值直接用于此类特殊结构将偏于保守的结论;根据随机振动理论,计算出储气罐在脉动风荷载作用下的均方根内力响应值以及均方根位移响应值,并在此基础上对储气罐的计算参与模态的频率范围进行了初步的探讨,可知频率大于3.910 Hz的模态对均方根内力响应值以及均方根位移响应值的贡献基本可忽略不计,同时还发现对于大型储气罐这种特殊结构某几阶频率对响应贡献值相对来说比较大,因此在此类结构响应计算时应特别注意;对该大型储气罐风洞试验数据分析、探讨所得上述结论为将来类似的工程结构进行风致响应的精确计算提供更为准确的参考。     

初始几何缺陷对大跨张弦桁架结构整体稳定的影响研究

张弦桁架结构在大跨空间结构中应用越来越广泛,如何确保此类结构的整体稳定性是钢结构领域面临的重要课题。首先以某185 m跨张弦桁架柱面煤棚为背景,分析了满跨活荷载、半跨活荷载和风荷载作用下不同初始缺陷对该结构整体稳定性能的影响,发现在该结构设计中,以理想结构的静力失稳模态作为结构的初始几何缺陷,比"一致缺陷模态法"对结构的整体稳定性有更显著的影响。再建立跨度为120,140,160,180,200 m的类似柱面张弦桁架模型并分别分析其整体稳定性。研究结果表明:此类张弦桁架结构对初始缺陷不敏感,静力失稳模态作为初始缺陷与一阶模态相比更加不利。     

新型澄清池结构的动力分析计算

应用ANSYS软件对某公司设计的新型澄清池结构建立了三维有限元模型，进行了静力、模态和地震反应谱分析，着重对该结构在地震荷载作用下的安全性进行了研究，对原设计方案的锥体壁厚进行了优化计算。     

基于灵敏度分析的张力结构作动器优化布置研究

针对自适应索杆张力结构的作动器配置问题,提出一种综合考虑节点位移和单元内力增量的结构响应灵敏度准则。首先,利用位移法基本方程求解不同作动器配置方案对应的加权灵敏度指标。随后,以结构响应加权灵敏度最大为优化目标建立优化模型,并利用遗传算法搜索作动器的最优布置方案。最后,以某Geiger型索穹顶结构为例,进行作动器的优化配置研究,从而验证了本文方法的有效性。     

基于位移灵敏度的结构损伤静力识别方法

结构损伤识别是当前的研究热点,但有关静力识别方法的研究较少.对静力平衡方程求导得到位移对单元损伤的一阶灵敏度,进而得到结构损伤前后位移改变量与单元损伤系数的线性关系式.据此提出一种结构损伤静力识别的三阶段方法,即先对静力测试的加载模式进行优化,再根据非负二乘解定位损伤单元,最后基于迭代收敛解提取已定位单元的损伤系数.加载模式的优化基于遗传算法,并以线性方程组病态程度最低为优化目标.某平面桁架的数值算例表明,所提方法能够很好地对加载模式进行优化,在高噪音情况下也能有效识别结构损伤.     

A static pushover method for identifying weak areas of earthquake resistant space frame structures

空间网格结构在强震下出现薄弱区的原因是该区域杆件的地震内力与决定其截面配置的非抗震设计内力差异较大，且该内力差异主要来自于少数模态的贡献。为此，利用非抗震设计和多遇地震验算的最不利内力，提出了一种疑似薄弱区杆件的简便判别方法。基于多遇地震下由振型分解反应谱法计算得到的结构响应，可以确定疑似薄弱区杆件地震内力的主要贡献模态。考虑这些主要贡献模态并参考振型质量参与系数，构造了能够近似反映最不利单向地震响应的综合模态，并基于结构应变能相等的原则确定了罕遇地震水平的等效静力推覆荷载。给出了一种能够计入三向地震动贡献的静力推覆方法，并对一个三心圆柱面双层网壳算例进行了推覆分析。通过与动力弹塑性时程分析结果对比发现，只要在建立推覆荷载时组合模态包括了疑似薄弱区杆件地震内力的主要贡献模态,并且所有组合模态的振型质量参与系数之和大于90%，则该静力推覆方法可以有效识别到该结构在罕遇地震下可能形成的薄弱区。     

基于力协方差法等效静力风荷载共振耦合效应分析

针对等效静力风荷载(ESWL)传统计算方法在处理强耦合结构共振模态之间耦合项的不足,提出基于共振恢复力协方差法能完全考虑各共振模态之间耦合效应的计算方法。具体思路为:从结构运动方程出发,推导出广义共振模态位移响应协方差矩阵;进而基于惯性风荷载法(IWL)获取仅包含共振分量的弹性恢复力协方差矩阵;再采用荷载-响应相关方法(LRC)进行共振响应及其ESWL的计算。该方法避开求解弹性恢复力的积分过程,考虑了各阶共振分量之间的耦合性,且物理意义明确,从理论上适用于任意复杂结构ESWL共振分量计算。以某电厂超大型冷却塔为例,进行结构风致响应和ESWL计算,讨论了共振分量的耦合效应,验证了该方法的有效性。     

某屋盖网架结构使用性能检测及评定

以网架结构刚度方程所确定的荷载增量和位移增量之间的关系为依据,对某屋盖网架结构进行使用性能检测及评定。在测试准备期间,由于该地区遭遇百年一遇大雪,在总量控制原则下,对该屋盖网架结构进行加载试验,测试指定测点在雪荷载和测试荷载作用下的变形和部分杆件应力,对其使用性能进行检测和分析,为该屋盖网架工程使用性能评价提供依据。该屋盖网架结构安全性检测及评定方法对在役的大型网架结构的检测具有较好的使用推广价值。