钢框架预应力支撑结构拉索初始预拉力设计方法

为了研究钢框架预应力支撑结构体系中拉索初始预拉力的取值方法,从理论上对钢框架预应力支撑结构体系进行分析,推导出预应力框架支撑结构体系拉索初始预拉力的取值公式,得到预应力拉索初始预拉力与结构层间位移角之间的关系.采用反弯点法,推导出预应力框架支撑结构体系的抗侧刚度计算公式,得到预应力框架支撑结构体系的抗侧刚度与构件的材料属性、截面属性、预应力拉索与水平面的倾角有关,与拉索的初始预拉力无关.基于推导出的预应力拉索初始预拉力和层间位移角的关系公式,提出一种预应力拉索初始预拉力的设计方法,通过算例验证了提出的预应力拉索初始预拉力设计方法的可行性,保证结构体系在设计的外荷载作用下,卸载索不退出工作,而增载索的安全储备提高了30%左右.     

索托结构中拉索预应力水平的优化研究

为研究预应力对索托桁架体系内力和挠度的影响,引入预应力水平概念,对单榀索托桁架结构进行了有限元分析.通过自由度耦合和变刚度弹簧单元来模拟索托节点,考虑预应力摩擦损失对结构性能的影响,对不同预应力水平情况下结构体系的受力性能进行分析.探讨了不同预应力水平下,结构体系变形和构件内力的变化规律,并给出预应力水平控制的参考建议.研究结果表明:采用自由度耦合和变刚度弹簧单元来模拟索托滑移节点的方法收敛性好,能够满足工程计算精度的要求.索的预应力水平在0.4到0.6之间可对桁架挠度和杆件内力起到有效的控制作用,使桁架与柔性拉索协同工作.     

预应力钢桁架在高温(火灾)下的力学特性分析

高温(火灾)环境会改变预应力钢桁架力学特性,影响其安全性能。采用结构力学与火灾科学理论,对拉索式预应力钢桁架进行研究,探讨了高温(火灾)环境下不同拉索布置方式和拉索数目及杆件长度变化对预应力钢桁架力学特性的影响。研究表明:温度变化、拉索布置方式和拉索数目对预应力钢桁架力学特性产生较大影响,但杆件长度变化几乎不影响其拉索应力。研究成果对改善高温(火灾)下预应力钢桁架受力特性及对预应力钢桁架预应力体系布置等具有一定的参考价值。     

钢框架预应力支撑结构拉索截面面积设计方法

为了研究钢框架预应力支撑结构体系中拉索截面面积的取值方法,从理论上对钢框架预应力支撑结构体系的抗侧刚度进行分析,推导出结构体系的抗侧刚度计算公式.钢框架预应力支撑结构体系的抗侧刚度不仅与构件的几何属性和材料属性有关,而且与预应力支撑与水平面的夹角有关,结构体系的抗侧刚度随着层间位移的增大而增大.基于钢框架预应力支撑结构体系抗侧刚度的计算公式,推导出了预应力拉索截面面积设计公式,提出了一种预应力拉索截面面积设计方法,并通过算例验证了提出的设计方法和设计公式的可行性,得到的钢框架预应力支撑结构,可以保证结构体系在设计的外荷载作用下,满足设计对于结构层间位移的要求.     

碳纤维斜拉索的静力参数特性分析

为了探索碳纤维(CFRP)索预应力大跨结构在不同条件下的非线性力学行为,并为相应力学行为的控制及相应结构的开发应用提供依据,对CFRP斜拉索的静力特性参数如切线刚度、竖向分力、垂度等计算公式进行了推导,并与传统的钢绞线斜拉索的计算结果进行对比分析,计算结果表明:由于CFRP索的弹性模量和单位长度重量低于传统的钢索,CFRP斜拉索的等效刚度系数小于钢拉索,索的竖向分力等效系数在工程应力范围内接近1,垂度效应明显小于钢拉索.合理利用碳纤维(CFRP)索的这些静力特性(等效刚度的降低、垂度效应的减少)有助于相关新型结构的开发利用.     

水域加热拉索线性膨胀系数测试研究

分析了预应力结构的发展历史和趋势,阐明了预应力索在现代预应力结构体系中的作用和地位,总结了预应力索的分类、性能及国内外对索的研究现状,提出了索的线性膨胀系数研究的重要性,并对利用拉索对结构施加预应力的主要方法(拉索法和支座位移法)进行了总结分析.利用研制的新型拉索线性膨胀系数测试装置——水域加热拉索线性膨胀系数测试仪器,对四种不同类型的拉索:3-9.3mm钢丝绳、工程用钢丝绳、钢绞线、半平行钢丝束,分10组对其线性膨胀系数进行了试验测定和分析,得出了四种拉索的线性膨胀系数,为科研、教学、设计及工程应用分析提供了依据.     

柔性边界索网结构受力分析

提出一种以双向多跨连续,柱间以索桁架连接的柔性边界索网结构,并结合天津一汽成品车停放场悬索工程,运用通用有限元分析软件ANSYS对其进行非线性有限元分析,并与一般边界为刚性的索网结构受力性能进行了比较。索桁架作为结构的柱间支承,在保证其预应力情况下, 有足够的刚度承担竖向荷载以保证其结构的稳定,结构的索桁架和索网能够很好地协同工作;在经济性能有很大的优势,使结构耗钢量比单跨刚性边界索网结构有较大的降低。分析结果表明柔性边界索网结构是一种理想的新型结构形式。     

车辐式索桁架温度响应试验及可靠性评估

针对温度作用对车辐式索桁架结构影响的问题,以设计的跨度为6 m的车辐式索桁架结构为对象,进行了车辐式索桁架结构拉索的温度响应试验,得出温度作用对上环索和上径向索的预应力影响最为明显,定义稳定索为温度敏感性构件.基于可靠性理论,运用响应面法和蒙特卡洛法,得到不同温度影响下车辐式索桁架结构在位移限值控制下的可靠度指标及其变化趋势和不同结构参数对结构的灵敏度,温度影响下下径向索施加的预应力和活荷载为灵敏度最大的结构参数.     

某冰壶馆钢屋盖结构设计与分析

某冰壶馆钢屋盖结构采用单层网壳加张弦梁的杂交体系,单层网壳与张弦梁共同受力,形成良好的空间传力体系。本文详细介绍了其钢屋盖的结构构成和受力特点,并对张弦梁的撑杆高度、拉索直径及拉索预张力的大小进行探讨,从而确定合理的结构布置形式。采用有限元软件对结构进行了静动力分析、极限承载力分析以及抗连续倒塌分析,对类似结构的设计提供有益的参考和借鉴。     

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.     

玻璃采光顶预应力索桁架支承体系动力特性

为了提供玻璃采光顶预应力索桁架支承体系抗风和抗震研究的理论基础,寻求其动力特性主要影响因素及影响量,采用连续化理论研究了其动力特性.以圆形平面玻璃采光顶预应力索桁架支承体系为例,考虑温度变化及几何非线性影响,基于动力学理论建立了该体系非线性振动方程.通过Galerkin方法,将偏微分方程转化为常微分方程,并采用LP法及KBM法对常微分方程进行了求解.结合算例讨论了温度变化、振幅、外激励等因素对玻璃采光顶预应力索桁架支承体系非线性振动的影响.算例表明,预应力索桁架支承体系固有频率随着温度的升高而减小,其自振频率随着振幅发生变化,非线性振动呈现“硬弹簧”特性,非线性自振频率高于线性振动频率,在简谐荷载激励下的稳态振动是稳定的周期运动.     

柔性索对空间索杆铰接式伸展臂性能影响分析

为了研究柔性索对空间索杆铰接式伸展臂力学特性及稳定性的影响,对伸展臂自平衡状态的受力情况进行分析,计算出满足伸展臂承载结构的最小索拉力设计值.计算表明,伸展臂展开驱动力矩随索拉力的增加而成比例增大;伸展臂的轴向拉伸刚度、剪切刚度和扭转刚度随着索的抗拉刚度增加而增大;静刚度实验表明索张力对静刚度几乎没有影响.仿真分析表明,增加斜拉索直径可以提高伸展臂的扭转振动频率,而斜拉索直径及张力对伸展臂的弯曲和轴向振动频率影响较小.对不同索张力的伸展臂桁架单元进行了动力学试验,验证了仿真分析的正确性.伸展臂铰接结构受力分析表明,增大索张力有利于提高伸展臂稳定性.     

预应力自平衡索桁架的动力性能分析

预应力自平衡索桁架作为点支玻璃幕墙的支承体系有着广泛的应用,该文研究了这一结构形式的自由振动和强迫振动。考虑温度变化及几何非线性影响,采用连续化理论导出了点支式玻璃幕墙预应力自平衡索桁架支承体系非线性振动方程。通过Galerkin方法,将偏微分程转化为常微分方程,并采用L—P法及KBM法对常微分方程进行了求解。结合工程实例分析了温度变化、振幅、外激励等因素对点支式玻璃幕墙预应力自平衡索桁架支承体系非线性振动的影响。结果表明,点支式玻璃幕墙预应力自平衡索桁架支承体系固有频率随着温度的升高而减小,其非线性振动呈现“硬弹簧”特性。     

劲性索、桁架拱结构固有振动的相似性

采用有限元法对劲性索结构及由其倒置而成的桁架拱结构进行了固有振动分析,并与采用能量变分法对这2类结构固有振动分析得到的结果进行了比较,得到劲性索及桁架结构的固有振动具有相似性.在1个正弦半波的对称振型频率公式的基础上,推导了劲性索2个半波,3个半波和4个半波的频率计算公式.结果表明,给出的计算劲性索结构和桁架拱频率的公式具有很高的精度,误差均在5%以内,为劲性索和桁架拱结构的抗震与抗风验算提供了一种新的方法.     

新型桥塔自立状态动力特性分析

某独塔斜拉桥桥塔装有横撑和风缆,是一种新型桥塔,基于ANSYS软件对其自立状态下的整体动力特性和风缆动力特性进行了计算,并分析了它们的影响因素。结果表明,横撑和风缆增大了桥塔横桥向弯曲频率和扭转频率,而略微减小了顺桥向弯曲频率;风缆是否分段建模对桥塔低阶振型和频率没有影响,而对高阶振型和频率有影响;桥塔频率对风缆初张力不敏感;风缆频率对风缆初张力比较敏感,而且随着初张力的增大而逐渐增大,但频率增幅逐渐减小。     

肋环型逐层双环索穹顶初始预应力快速计算法

通过将空间立体结构简化为平面桁架结构,并根据节点受力平衡关系与各索杆平面等效力的关系,分别推导了新型肋环型逐层双环索穹顶结构在不设和设有内拉环时的索杆初始预应力分布的计算公式.利用ANSYS软件建立非线性有限元模型对公式进行了验证,计算结果表明：新型结构快速计算法所得的结果与结构非线性模拟结果吻合良好.因没有考虑模型在施加初始预应力后产生的微小变形,仅在结构顶部索杆内力有微小偏差,说明无须借助结构分析软件进行繁琐的计算,仅利用快速计算法即可完成新型结构初始预应力的设计,且其计算精度满足结构设计的一般精度要求．     

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.     

小股钢绞线在大跨度圆孔板中的应用

研究了小股钢绞线预应力砼空心圆孔板的设计，给出了设计步骤、主要公式及相关参数选用时应注意的问题，对钢筋应力增大系数进行了讨论，最后给出本市标准图6m跨度预应力板的设计例题．并进行了与现有预应力空心板在用钢量方面的比较。     

应力约束下预应力钢桁架离散变量优化设计

对影响预应力钢桁架优化设计的2类变量,包括连续的索力值和离散的截面尺寸进行研究.建立了以应力和结构质量为约束条件、以最小化结构应变能为目标函数的数学优化模型.以杆件在预应力和外荷载共同作用下储存应变能最小确定施加在索上的预拉力.计算构件由于尺寸改变引起结构质量变化和应变能变化之比的相对差商,以此确定搜索方向.应用渐进结构优化法逐步调整构件截面尺寸,循环迭代,直至索力值和截面尺寸达到最优.算例与预应力钢结构理论结果相吻合,可为预应力钢结构工程设计提供最优的索力值和型钢的选择.