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m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...     

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。     

大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶静力性能分析

大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶结构是一种新型结构形式,针对这一特定的结构体系,基于二次奇异值分解法,结合MATLAB计算程序得出结构整体可行预应力,建立ANSYS有限元模型进行验证并分析该结构在恒载、活载、风载及温度荷载作用下的内力及位移关键响应.进一步研究厚跨比、预应力倍数及矢跨比等参数对结构静力性能的影响.分析表明,大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶结构具有良好的静力性能,整体刚度大.给出结构厚跨比、预应力及矢跨比的合适取值范围,为大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶的工程应用提供了参考依据.     

倾斜撑杆式索穹顶结构节点及张拉模拟

分析了索穹顶结构节点的特点,设计了适合倾斜撑杆式索穹顶的节点形式。另外对倾斜撑杆式索穹顶结构的施工张拉方法进行了探讨和研究。利用有限元分析软件对3类施工张拉方案进行模拟,分析内力变化规律,评价各种张拉方案的施工可行性,并给出了建议张拉方案。     

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。     

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...     

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。     

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%。     

张拉整体索穹顶结构预应力损失的补偿与设计计算

本文在张拉整体索穹顶结构理想预应力设计的基础上，对其施工阶段与正常使用阶段由于各种因素引起的预应力损失进行了研究；从预应力发生的不同时间阶段和不同位置，把预应力损失进行了分类；对不同类型的预应力损失提出了不同的补偿与设计计算方法。     

Kiewitt型索穹顶结构拉索退出工作机理分析

目前索穹顶结构的研究主要集中在形态分析、结构静动力性能分析、施工成形分析等方面,有关索穹顶结构拉索退出工作及部分拉索退出工作后的体系受力性能的研究还很少涉及.本文以Kiewitt型索穹顶结构为例,分析结构在多种荷载工况下索松弛和索破坏退出工作机理及部分索退出工作后结构的受力性能,得出了一些有用的结论,对该类结构的进一步研究和工程应用具有指导意义.     

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.     

索穹顶结构的静力性状分析

本文基于文献［４］提出的索穹顶结构非线性有限元理论及初始刚度计算方法，对圆形平面、球形屋面、脊索呈辐射状分布的轴对称索穹顶结构进行了分析计算，通过参数改变，详细研究了该类索穹顶结构的静力性状，并得到了一些重要结论，对理论研究及工程应用具有指导意义。     

索穹顶结构的理论分析及应用

针对索穹顶结构的概念及力学特性,在形态分析和非线性分析的基础上对索穹顶结构进行了理论分析,重点论述了三种常用的找形方法。简要介绍了索穹顶结构在我国的应用现状,并对其发展前景做了展望。     

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。     

索长误差对索穹顶结构初始预应力分布的敏感性分析

基于ANSYS的可靠度(PDS)分析模块,针对某实际工程,采用Monte Carlo与响应面结合的方法,以每根拉索内力变化量及内力变化的平均值作为误差敏感性的判定指标,分析了索长误差同时存在时对索穹顶结构初始预应力分布的影响。研究表明,初始内力越小的索对结构整体预应力的分布影响越大,与产生误差的索联系越密切的索受索长误差的影响越大。     

复合式索穹顶结构连续倒塌分析

基于拆除构件法,以一个长轴为102m的索穹顶体育馆为工程背景,对外圈为Levy式、内圈为Geiger式的索穹顶进行了考虑节点等代建模的连续倒塌非线性动力分析,研究单根索破断对杆件内力及节点位移的影响,摸清复合式索穹顶结构的关键构件及结构的抗倒塌能力。仿真结果表明：内、外圈交界处的中环索为复合式索穹顶的关键构件;复合式索穹顶结构具有较好的抗倒塌性能,单根索破坏不会引起结构整体倒塌。     

大跨度索穹顶结构抗火性能分析

根据内蒙古伊旗全民健身体育中心工程设计的需要,对大跨度索穹顶结构进行抗火性能分析。以温度-结构耦合为基本方法,基于大空间空气升温模型,考虑高温下材料的非线性,分析了结构在不同火灾工况下的响应,得到火灾下索穹顶结构变形、节点位移、杆件预应力损失的基本规律。研究表明：肋环型索穹顶结构侧向刚度较弱,对偏心火灾敏感,火灾下的挠度超限和侧向变形是导致结构失效和非结构构件提前破坏的主要原因;脊索尤其内脊索是火灾下预应力损失较为严重的杆件,中撑杆侧向位移控制是肋环形索穹顶结构抗火设计的重点。针对肋环形索穹顶结构侧向刚度较弱的缺点,在中撑杆上节点部位加设一道环向杆件进行结构体系的改进,可使结构的抗火性能得到较大改善。     

索穹顶结构多种预应力张拉施工方法的全过程分析

索穹顶结构的预应力张拉施工成形过程分析一直是国内外学者研究的热点和难点.本文结合国外已有工程预应力张拉施工方法和国内相关研究成果介绍,以一跨度为122m的索穹顶结构为例,提出了包括逐圈斜索张拉法、仅外圈斜索张拉法、逐圈竖杆顶压法、仅外圈竖杆顶压法、逐圈环索张拉法、仅外圈环索张拉法、逐圈斜索原长安装法等七种预应力张拉施工方法,并采用动力松弛法对采用各种预应力张拉施工方法进行施工模拟全过程分析,为实际索穹顶结构工程的张拉施工提供理论依据和技术支持.     

肋环型刚性索穹顶结构的静动力性能分析

为研究刚性索穹顶结构的性能,以跨度为60m的肋环型刚性索穹顶结构为例,分别对其进行在满跨和半跨均布荷载作用下的静力性能和动力性能分析,得到结构的固有频率及相应的振型,并与相应的肋环型索穹顶结构相比较,总结了杆件内力和位移的变化规律。结果显示在满跨均布向下荷载作用下,肋环型刚性索穹顶结构的性能较为优越;在半跨均布向下荷载作用下,肋环型刚性索穹顶结构的性能略有改善;在满跨及半跨均布向上荷载作用下,两者性能较为相似。肋环型刚性索穹顶并没有显著改变现有肋环型索穹顶的动力性能。