索桁架结构体系找形分析的节点位移法

平面索桁架以及南平面索桁架组成的空间索桁结构是一种应用广泛的柔性结构,它依靠拉索的张力提供刚度.寻找柔性结构合理的预应力分布以达到建筑造型和力学性能的要求是其找形分析的主要目的.与索穹顶结构、单层索网结构相比,索桁架的拓扑关系更加简单明确.力密度法、动力松弛法等一般用于解决单层索网等结构由给定预应力确定初始位形的问题,且难以直接应用在通用有限元软件中(如ANSYS).如果套用索穹顶、单层索网等的找形方法(如力密度法、动力松弛法等)进行找形,则无法直接运用通用有限元软件进行分析.本文依据索桁架结构体系简单明确的拓扑关系,发展了一种通过给节点施加位移进行迭代计算的非线性有限元找形分析方法,该方法不同于单层索网或膜结构找形的小杨氏模量法.本方法求解速度较快,结果较为准确,同时便于在现有的通用有限元软件中应用.     

车辐式结构张拉方案与关键技术研究

车辐式结构是一种新颖的索-拱结构体系,其稳定性能比单纯的拱结构有很大改善.车辐式张拉结构造型轻盈通透,常作为大跨度体育场建筑的屋盖结构形式.对于由索、拱、飞柱组成的屋盖结构体系而言,整体张拉成型的方法优于单点张拉的施工方法,张拉方案的选择以及张拉过程中力与形的控制是施工张拉过程的核心内容.本文以宝安体育场现场施工实际出发,通过对张拉方案探讨与分析,研究车辐式张拉结构整体张拉过程的方案与关键技术.文中讨论了几种可能的施工方法,并对每种方法的优缺点进行了比较,同时对选定方法的关键施工步骤进行了研究.     

宝安体育场结构设计关键问题研究

贯穿深圳宝安体育场整个结构设计流程,对各阶段遇到的主要问题进行研究。初步设计阶段,从建筑外观、体育场功能、结构特性和施工难易程度等角度比选3种方案。方案验证阶段,结合理论分析与宝安体育场1∶10模型试验,研究结构的静力性能和动力特性。深化设计阶段,通过介绍若干典型节点的细部构造,推广总结索膜节点的设计原则。研究结果表明：对宝安体育场而言,内外环均呈圆形且索膜形状一致的结构体型最优;A形柱可为整体结构提供有效侧向刚度,且沿索桁架方向对外环约束很小,是理想的外环支承;索桁架对外环施加集中力的同时对其提供侧向支承,因此外环一阶屈曲模态表现为以索桁架为侧向支点的失稳。     

车辐式索桁架模态分析与试验研究

通过对跨度为60m的圆形车辐式索桁架屋盖按照1:10缩尺模型进行模态分析和模型试验,考察了拉索预应力、矢跨比及内外环直径比3个参数变化对结构自振特性的影响,对比分析了前4阶振型的试验结果与理论计算结果。结果发现:结构第1、2阶振型为反对称上下振动,第3阶为内环扭转振动,第4阶为内环相对扭转振动;试验和理论结果误差在10%以内,试验振型与理论振型基本吻合;前4阶振型的频率均在10Hz以上,表明车辐式索桁架结构为低频动力响应,自振频率较小且分布密集;预应力水平越高,振型频率越大,则结构刚度越大;矢高增加,结构频率随之减小,结构更容易发生侧向失稳;内外环直径比越大,结构扭转刚度相对会减小,容易发生扭转失稳。     

索网结构混合法找形分析

找形问题是索结构分析中首要解决的问题。本文阐述了非线性位移法、动力松弛法、力密度法等张拉结构找形方法的特点和适用条件,在此基础上提出混合找形法应用于索网结构。并编程通过典型算例对各方法进行分析、对比,数值计算结果表明混合找形方法正确、有效。     

Form finding and key parameter analysis for concave wheel-spoke shaped pretension structure system

为了解内凹形轮辐式张拉结构的受力性能,建立内凹形结构体系的初始预应力与构型的近似关系,实现结构的初始预应力快速估算,采用参数化设计软件并编制的找形分析插件,找到合理的结构形态和预应力分布。同时对结构基本体系的关键参数进行分析,得出关键参数的合理取值范围。分析结果表明,索桁架的上、下径向索在控制矢跨比的条件下可以采用悬链线、抛物线和圆弧线;根据建筑造型和受力性能分析,在实际工程中建议索桁架的上、下径向索采用抛物线;结构上径向索的矢跨比合理取值范围为1/40~1/20,下径向索的矢跨比合理取值范围为1/40~1/30;内凹形轮辐式张拉结构径向索桁架合理取值为32~44榀;结构外压环与上、下内拉环的高差比值 c₁/c₂ 合理取值范围为1.0~1.5,在该取值范围内,上、下径向索的预应力值相差在30%以内,结构内力分布比较均匀,刚度较好。     

内凹形轮辐式张拉结构基本体系找形与关键参数分析

为了解内凹形轮辐式张拉结构的受力性能,建立内凹形结构体系的初始预应力与构型的近似关系,实现结构的初始预应力快速估算,采用参数化设计软件并编制的找形分析插件,找到合理的结构形态和预应力分布。同时对结构基本体系的关键参数进行分析,得出关键参数的合理取值范围。分析结果表明,索桁架的上、下径向索在控制矢跨比的条件下可以采用悬链线、抛物线和圆弧线;根据建筑造型和受力性能分析,在实际工程中建议索桁架的上、下径向索采用抛物线;结构上径向索的矢跨比合理取值范围为1/40~1/20,下径向索的矢跨比合理取值范围为1/40~1/30;内凹形轮辐式张拉结构径向索桁架合理取值为32~44榀;结构外压环与上、下内拉环的高差比值c_1/c_2合理取值范围为1.0~1.5,在该取值范围内,上、下径向索的预应力值相差在30%以内,结构内力分布比较均匀,刚度较好。     

张拉整体结构找形的力密度法

力密度法是张拉整体结构的一种重要的找形方法,文中首先对张拉整体结构找形的力密度法进行介绍,依据分析时关注的主要变量对力密度法的找形方式进行了分类,根据上述分类提出了应用力密度法的数值找形过程,找形过程只需要提供很少的信息,构件类型和节点的拓扑关系.力密度矩阵的特征值分解和平衡矩阵的奇异值分解在找形过程用于计算满足矩阵秩...     

宝安体育场车辐式屋盖结构施工误差敏感性试验及误差限值控制方法研究

采用定尺定长设计与张拉技术进行施工时,确定拉索以及其他刚性构件的施工误差限值对工程建设和验收非常重要,但目前缺乏相应的统一标准。为此进行了宝安体育场屋盖结构施工误差敏感性试验,模拟了车辐式结构径向索、环索、飞柱的长度以及环梁位形的施工误差。研究结果表明：径向索、飞柱长度以及环梁径向位形误差对本榀索桁架预应力的影响约为相邻索桁架的2~3倍,对距离3榀以上的索桁架影响较小,将这3类构件定义为局部敏感性构件;环索误差对各处径向索预应力的影响较接近,定义环索为全局敏感性构件。在此基础上结合一次二阶矩可靠度指标,提出车辐式结构施工误差限值的控制方法。该方法首先将预应力变化量表达为施工误差值随机变量的线性函数,依据构件的敏感性分类确定线性函数的项数;然后由预应力变化量得到临界状态方程和一次二阶矩可靠度指标;最后由可靠度指标需要满足的范围得出每个施工误差值应满足的统计学限值。该方法得到的施工误差限值可以用于指导宝安体育场车辐式屋盖结构的施工和验收。     

乐山奥体中心体育场车辐式单、双层组合索网罩棚结构设计

针对乐山奥体中心体育场索膜罩棚西侧外高内低、东侧内高外低的不对称构形,提出并设计了一种车辐式单、双层组合索网结构,充分发挥单、双层索网各自特点,此类型组合索网结构系国内外首例.针对此类结构的找形方法、关键影响参数、力学特点、屋面排水组织、整体稳定性、抗倒塌性能、关键节点进行了研究.结果 表明:采用以力密度法为基础的"虚...     

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。     

复合筒体结构在钢结构广播电视发射塔中的应用研究

根据钢结构广播电视发射塔的结构特点,外塔身往往作为结构的主要受力构件,井道仅承受自身荷载作用。淮安广播电视发射塔由于其外形方案独特,无法采用传统的高耸结构形式,且采用高层建筑中的"筒中筒"结构难以满足结构刚度和强度的要求,在对结构方案进行分析对比后,提出了钢板核心筒-钢管密柱-预应力柔性拉杆的复合筒体结构。通过采用预应力柔性拉杆和刚性水平支撑联系内钢板筒和外柱,使两者协同工作,共同抵抗水平荷载作用,且减小了外柱的计算长细比,提高了其稳定承载力。分析证明,结构刚度得到了较大的提高,结构周期由8.3 s减小为5.1 s。复合筒体结构在保证建筑外观的同时,可以满足结构受力和加工制作的要求。     

改进力密度法在悬索结构找形中的应用

结合工程需要对普通力密度法进行了改进,给出了在给定控制条件下悬索结构的力密度找形迭代公式和迭代策略,形式简单明了。通过对若干典型工程算例的找形计算表明,改进的算法具有收敛精度高,计算能力强,适用范围广等优点,是一种很好的悬索结构成形算法。     

深圳宝安体育场索张拉结构精度控制的若干措施

深圳宝安体育场索膜结构采用车辐式索张拉结构与膜结构的组合,其中车辐式索张拉结构采用预应力全封闭钢索,膜结构采用PTFE玻璃纤维膜材料.体育场的外环为马鞍形状,结构体型复杂,钢索的长度全部不可调节,显著加大了工程设计及施工难度.为达到设计方对施工成型后的结构精度要求,在深化设计中解决了恒载及预应力下整体模型重建、钢结构安装状态和制作状态的模型制作、钢索索长确定等课题.施工过程中通过对钢索的标示线管理、索夹的高强螺栓预张力管理、36点同步张拉及4点同步张拉的实施管理,保证了工程质量,达到了设计的精度要求.通过对最终施工形态与设计形态的比较分析,得出了在钢结构的制作安装误差、钢索的制作安装误差满足设计要求的情况下,采用定长索的做法可以满足设计要求的结论.     

索穹顶无支架提升牵引施工技术及全过程分析

索穹顶施工是将索杆系经由无应力组装状态、低应力松垂状态向高应力成型状态转变的过程。基于索穹顶无支架提升牵引施工方法,在地面组装内拉环和脊索网,随后续提升牵引在低空组装其它索杆系;以外压环为支座利用工装索交替提升内拉环和牵引外脊索,直至外脊索与外压环连接就位,对外斜索同步张拉结构成型。该方法高空作业少、张拉效率高。基于非线性动力有限元的索杆系静力平衡态找形分析方法,建立整体运动方程,通过一级动力平衡迭代和二级模型更新迭代,由初始静力不平衡态,经由动力平衡态收敛于静力平衡态,并通过总动能峰值及时间驻点确定、时间步长自动调整和静力平衡态检验等,保证分析结果的稳定和高效。结合索穹顶实际工程进行了提升牵引和张拉全过程分析及扰动稳定分析,研究结果表明：索杆系位形经历了分别与提升牵引、牵引张拉初期和张拉后期对应的悬垂、调整和刚化3个阶段;脊索网呈“ω”形是保证索杆系低应力悬垂位形稳定的重要条件之一;位形调整阶段存在“拐点”,拐点的位形稳定性在全施工过程中最弱,在高矢跨比索穹顶中应特别关注。     

悬索结构初始形态数值分析方法

主要介绍了悬索结构初始形态数值分析方法中最常用的三种方法:力密度法、动力松弛法和非线性有限元法,着重对后两种方法进行了介绍,并给出了相关的算例分析,为分析悬索结构提供了借鉴依据。