2010年上海世博会主题馆屋盖结构弹塑性极限承载力分析

以上海世博会主题馆屋盖结构为研究对象,采用通用有限元程序ANSYS对结构整体模型和屋盖单独模型进行弹塑性极限承载力全过程分析,分析结构的屈服机制、失效机制和结构在屋盖单独模型和整体模型中的全过程反应特征。分析表明,张弦桁架结构的预应力索杆体系可有效提高结构的刚度,结构塑性发展遵循连续梁结构的力学性态,结构的弹性支承边界条件在一定程度上能提高结构的极限承载能力。     

张弦网壳结构的弹塑性极限承载力及参数分析

张弦结构是近年来大跨度空间结构发展的主要结构形式之一.应用非线性有限元方法,对构件主次分布、以弯曲变形为主的张弦网壳结构进行弹塑性极限承载力分析,并分析荷载非对称分布、撑杆高度、预应力大小对结构极限承载力的影响规律,对结构设计提出建议,所得结论对同类结构的分析和设计具有指导意义.     

张弦空间结构的非线性分析

运用非线性有限元基本理论研究张弦空间结构的非线性特征。针对5个张弦空间结构工程,研究结构的几何非线性、材料非线性和边界条件的状态非线性特征,揭示其基本力学特性。分析表明:张弦空间结构的刚性构件体系贡献了结构的线性刚度,结构的变形协调使拉索应力刚化进而增大结构的几何刚度;对索施加初始预拉力可以增大结构几何刚度,但不影响结构总刚度增量的变化规律;结构总刚度的非线性部分随荷载步的改变而更新,结构分析须先确定结构所处的荷载工况;结构材料进入塑性后表现为结构总切线刚度中线性部分的降低,当结构达到弹塑性极限承载力时表现为结构材料失效。基于张弦结构的自平衡特性,当张弦空间结构滑动支座滑移达到滑程时,结构的边界条件转变为相应的铰支座或弹性支座。通过屋盖结构支座附近同位置且同方向的下部支承结构体系的刚度与屋盖邻支座区域杆件体系刚度的比较,可方便准确地对屋盖单独模型进行屋盖结构在实际工作环境中边界条件的模拟。     

基于平衡荷载态整体优化的双向张弦梁弹塑性极限承载力参数分析

为了研究基于平衡荷载态整体优化的双向张弦梁结构在弹塑性极限承载力方面的特征与规律,对影响结构承载力的主要因素:结构缺陷、荷载非对称性、支座形式、撑杆高度、预应力大小等进行了系统的弹塑性极限承载力分析。结果表明:双向张弦梁对初始缺陷并不敏感;结构设计、施工时对可能出现的非对称分布荷载需要仔细验算;在结构使用期内,一端固定铰支座,一端滑动铰支座是较为合理的支座形式;撑杆高度可明显提高结构极限承载力,同时应力比不大;双向张弦梁结构下弦索的预应力存在一个最优值,过大或过小都会使结构构件过早进入塑性。     

钢管树状柱的极限承载力分析

针对钢管树状结构在公共交通建筑中的广泛使用,选取几个典型的火车站树状柱结构形式,采用有限元软件ANSYS进行一、二阶弹塑性极限承载力的分析研究。通过有限元验证,分析树状结构极限承载力的变化,为工程设计提供指导。     

大跨张弦空间结构的发展与展望

回顾了随着大跨度空间结构的发展而不断涌现出的各种结构形式,在此基础上给出了大跨张弦空间结构的概念,分析了大跨张弦空间结构的特点,并总结了四种得到工程应用的大跨张弦空间结构,即斜拉网格结构、张弦梁结构、弦支穹顶结构、索穹顶结构的发展与研究状况。进而讨论了大跨张弦空间结构的发展规律,最后对大跨张弦空间结构进一步发展的方向和需要深入研究的课题进行了展望。     

张弦空间结构的构成形式与空间工作机理

从张弦结构的工作机理出发.介绍了具有代表性的安徽大学体育馆张弦梁式空间网壳结构、北京大学体育馆张弦辐射桁架壳体结构和泉州市体育馆张弦平行桁架壳体结构的拉索撑杆体系在既定的刚性结构下的布置形式.在对三个体育馆屋盖结构进行静力参数分析的基础上,总结了张弦结构的空间工作机理和张弦空间结构的体系特征.分析表明,根据张弦结构的工作机理可以将相同的刚性结构与不同布置形式的索杆体系相结合构造出结构性能存在差异的张弦空间结构;整体张弦网壳具有优于局部张弦网壳的结构性能;降低曲面刚性结构产生的强大支座推力,并使结构具有足够刚度的有效途径是将刚性结构与索杆体系相结合构成自平衡的预应力张弦结构.     

钢框架结构二阶弹塑性稳定极限承载力试验研究

为研究钢框架结构的受力、变形性能及破坏特点,对４榀平面钢框架进行了极限承载力静力试验。介绍试验情况,分析试验现象,并将理论分析与试验结果进行了比较。     

单拱面预应力混凝土系杆拱梁桥极限承载力分析的截面内力塑性系数法

基于UpdatedLagrangian (更新拉格朗日 )列式单元增量平衡方程 ,提出了一种建立钢筋混凝土空间梁单元弹塑性刚度矩阵的新方法———单元节点截面内力塑性系数法 ,并编制了单拱面预应力混凝土系杆拱梁桥空间稳定极限承载力计算程序。理论分析结果与两个模型试验结果十分接近 ,验证了分析方法的正确性及可靠性。该方法可以用于大型桥梁的空间稳定极限承载力分析     

抗拔桩的变形与极限承载力计算

抗拔桩常用于地下构筑物的抗浮和受较大弯矩作用高耸构筑物的基础。本文推导了基于轴向Winkler地基模型的抗拔桩弹性解答和基于统一极限摩阻分布(由Nc,αs和n三参数描述)的弹塑性有限差分求解方法,编制了相应的程序。应用上述解答和程序,对抗拔桩的变形性状和极限承载力进行了详细地研究,重点讨论了Winkler模型弹簧刚度ks、统一极限摩阻参数Nc、αs和n,以及上覆土层对抗拔桩的变形和极限承载力的影响。结果表明,Nc和ks对抗拔桩的弹塑性变形影响显著,而极限承载力主要取决于Nc值和上覆土层厚度。     

空间圆钢管相贯节点极限承载力分析

以塔桅工程中空间圆钢管相贯节点为背景,应用有限元程序对其进行轴向拉、压极限状态的数值模拟.分析节点在荷载作用下局部应力分布、主管鞍点的荷载变形关系,对支管搭接的影响、应力集中系数和节点极限承载力进行探讨,提出在节点区局部采用钢管混凝土改善受力条件的可行性.     

预应力空腹式钢骨混凝土梁极限承载力分析

根据预应力空腹式钢骨混凝土梁的特点,分析构件在极限状态下的主要破坏模式及受压区混凝土高度范围,针对不同破坏模式建立中和轴经过上部钢骨和中和轴不经过钢骨的预应力空腹式钢骨混凝土梁的极限抗弯承载力计算公式,将计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好,说明所建公式是合理的。     

张弦结构动力分析中的若干问题研究

结合镇江体育中心会展馆的曲线形大跨度钢结构屋盖工程,对张弦结构动力分析中的若干问题进行了研究.首先分析了不同质量矩阵模式(一致质量矩阵和集中质量矩阵)对单榀张弦梁及整体张弦结构振型、频率的影响;其次,通过多维地震作用下的结构动力分析,研究了索张拉应变和索截面变化对张弦结构动力性能的影响.研究表明,不同的质量矩阵模式对单榀张弦梁的振型、频率计算结果影响较大,而对整体张弦结构的计算结果影响较小;索张拉预应力及索截面的变化改变了张弦结构的振动平衡位置、波动位移及结构抗震性能.     

大跨度张弦梁结构非线性地震响应及参数分析

张弦梁结构是由弦、撑杆和抗弯受压构件组合而成的新型结构体系,是通过在弦中施加预应力来改善抗弯受压构件受力性能的自平衡体系.张弦梁结构的垂跨比、矢跨比、撑杆数目、横索数目、弦的预应力和结构的整体倾角等参数对其受力都有一定的影响.而随着张弦梁结构的大量应用,对其地震作用研究也越来越重要.为此,本文应用大型有限元软件AN SY S对张弦梁结构的地震响应进行了空间非线性时程反应分析,详细讨论垂跨比、高跨比、撑杆数目、横索数目、弦的预应力和结构的整体倾角等参数以及行波效应对张弦梁结构地震响应的影响,以供工程设计参考.     

钢筋混凝土梁极限承载力分析

根据分层有限元的基本原理和计算假设，编制了钢筋混凝土梁极限承载力分析的有限元程序，并对两个钢筋混凝土模型梁进行了分析，结果表明：分层有限元法是一种很好的计算钢筋混凝土梁极限承载力的分析方法。     

Design optimization and experimental study on beam string structures

Taking the beam string structure (BSS) in Shanghai Yuanshen Arena as a sample, the rise-span ratio, beam cross-section, area of string, prestressing force of BSS was optimized by using the ANSYS programme. It was proposed that the absolute value of the maximum deflection of the beam under dead load should be minimized in the optimization of the prestressing force. Based on three scale model tests and elastoplastic large deformation analysis, the paper investigated the behavior of BSS in the full-range including the stretching phase, serviceability phase and ultimate load carrying phase. The results showed that the midspan camber should be chosen as the control target of stretching. The failure mode of BSS was the yielding or rupture of the string, while the beam was still in the semi-plastic stage. This paper also presented the construction monitoring results of the real BSS, which satisfied design requirements well.     

火灾下大跨度弦支穹顶结构的性能分析

基于实用大空间火灾空气升温经验公式及预应力钢结构材料高温力学模型,采用考虑时间积分效应的非线性有限元数值分析法,建立了用于大跨度弦支穹顶结构抗火性能分析的数值模型。通过对大跨度弦支穹顶结构的抗火分析,研究结构的温度场分布、位移和应力特征以及支座约束条件对结构抗火的影响。分析结果表明:在火灾作用下,大跨度弦支穹顶结构具有较好的抗火性能,结构的抗火薄弱区域位于上层网壳的中心区域;火灾下引起弦支穹顶结构产生较大变形的主要原因是环向约束作用、材料升温膨胀以及结构刚度的降低。     

刚架结构极限承载力分析的广义塑性铰研究

传统塑性铰法及其改进方法具备比例特点,能够根据外荷载与内力之间的比例关系快捷确定刚架的塑性铰位置和极限承载力,但不能应用于多内力组合作用下的刚架极限承载力问题。随后发展起来的二阶塑性铰法和精细塑性铰法尽管解决了该问题,但不具备比例特点,需通过大量迭代试算、并连续调整荷载增量来确定刚架的塑性铰位置和极限承载力,导致理论复杂,计算效率低。为此,文章利用广义屈服准则提出内力组合因子的定义,据此建立具备比例特点的广义塑性铰法,能够快捷处理刚架结构在多内力组合作用下的极限承载力问题。首先,利用广义屈服准则研究建立内力组合因子,据此修正刚架单元在不同加载步的截面强度。然后,利用齐次广义屈服函数和标准化内力定义单元承载比,并根据荷载与单元承载比之间的比例关系快捷确定各加载步的塑性铰位置和极限承载力。最后,通过与弹塑性增量法和改进塑性铰法对比分析,验证了该方法具有简捷、高效和高精度特性。     

一维张弦梁结构设计中的几个问题探讨

各种结构都有其经济适用范围,通常跨度100m左右的梁式结构用钢量约为80kg/m2[1].一维张弦梁结构亦属于梁式结构,其用钢量与跨度的平方成正比.本文对一维张弦梁结构设计中的几个问题进行了探讨,包括拉索与撑杆的转角摩阻、拉索预应力的合理取值和安全系数判定、结构自重与跨度的近似关系以及两种计算模型的分析比较等,可供工程设计者参考.