同时考虑构件刚度和预应力的索网结构刚度优化

同时以单元轴向线刚度和力密度为设计变量,提出一种结构整体刚度的优化方法,使索网在特定荷载作用下能够满足多点位移限值的约束条件.针对索网结构的切线刚度矩阵,建立了以上两类设计变量分别与结构线弹性刚度和几何刚度的解析关系式.不考虑外荷载变化,推导了两类设计变量与结构位移的近似增量关系,并给出其灵敏度矩阵的解析表达式.针对给定荷载下的索网多点变形约束条件,借助灵敏度矩阵的特征空间性质,提出了一种结构刚度优化的数值策略,并指出优化设计变量与目标位移间存在的效率评价问题.以一个梯形平面马鞍形索网为算例,利用该方法对结构刚度进行优化以使索网在给定荷载下能够满足预先设定的位移场限值要求.计算结果不仅验证了算法的有效性,也反映出进行优化结果的效率评价是必要的.     

动力松弛法与力密度法在索网结构找形中的比较分析

本结合几个典型工程算例对改进动力松弛法和改进力密度法在计算时间、收敛精度、迭代策略等方面进行了较系统的比较分析，分析说明两种方法均适用于解决大型复杂索网结构的找形问题，并可达到很高的精度，但两种方法均有各自的优缺点。     

轮辐式单-双层混合索网结构成形关键技术研究

为研究适用于体育场建筑的大开口轮辐式单-双层混合索网结构成形关键技术,以乐山奥体中心体育场为研究对象,介绍了结构构形,分析了自重与预应力作用下结构的力学特点,提出了整体牵引提升、分批张拉锚固的总体成形方法,并采用非线性动力有限元分析方法,对比优选了径向索张拉的最后锚固批次和双层索网撑杆的安装时机,进行了全过程张拉成形分析。结果表明：混合索网结构与单层和双层索网结构受力特点存在较大差异,径向索索力最大值出现在单层索网区域两侧,索夹两侧环索索力最大差值出现在单双层交界处;为减小径向索张拉锚固力值和索夹两侧环索索力差值,确定径向索的分批张拉锚固顺序为上径向索、单径向索、下径向索,并确定在分批张拉锚固上径向索之后,张拉锚固单径向索之前安装撑杆;全过程张拉成形分析结果验证了成形方法的有效性和安全性,研究成果已成功应用于实际结构中。     

索网结构对主体结构动力特性的影响

采用子空间迭代法,结合工程实例,对索网次结构对主体结构自振特性的影响进行了计算分析,研究了主体结构的频率分布特性以及索网预应力、玻璃及索连接件的质量等结构参数对自振特性的影响。此外,还考虑了几何非线性对结构应力刚度的影响,考虑位形修正进行了模态分析。最后,采用振型分解反应谱法进行了结构模型的多遇地震响应分析。研究结果表明:玻璃及索连接件的质量对主体结构频率影响较大,整体结构振型表现为主体结构振型加索网局部振型;主体结构代替整体结构通过振型分解反应谱法进行地震效应分析时,结构地震效应降低。     

温度作用下马鞍形索网结构的力学性能

马鞍形索网结构为新兴大跨度空间结构,温度是影响预应力空间结构力学性能的关键因素,跨度越大影响越明显。基于某马鞍形索网结构,建立了有限元计算模型,进行了温度作用下的力学性能分析和研究。计算结果表明,受温度作用的影响,索网结构力学性能的变化较明显,且与拉索类型的选取和线膨胀系数有关。     

椭圆边界马鞍形单层索网结构静力刚度参数分析

椭圆边界马鞍形单层索网结构受力效率高、造型简洁优雅,有广阔的应用前景。为此,选取椭圆边界马鞍形单层索网结构的高差、边界形状、网格尺寸、拉索预拉力、拉索直径等设计参数,采用控制变量法,基于通用有限元软件ANSYS对其静力刚度进行参数分析。结果表明：单层索网结构的承重索宜布置在短轴方向,稳定索宜布置在长轴方向,可以增加结构刚度;高差对结构刚度的影响最大,保持总高差不变,分别改变承重索垂度和稳定索拱度,结构的刚度没有变化;在网格尺寸为1.7~3.2 m、拉索预拉力为700~1000 kN、拉索直径为44~62 mm时,减小网格尺寸、增大索的预拉力以及直径对增大结构刚度有利;高差和预拉力对结构反力的影响较大,其中高差主要影响结构反力的竖向分量,预拉力同步影响其各分量。     

索网结构动力松弛法找形的研究应用

在动力松弛法中采用优化参数自动选择的方法，大大改善了计算的稳定性和收敛速度。编制动力松弛法的求解程序，并应用于索网结构的找形，同时与非线性有限元方法及理论解的找形结果进行比较，结果令人满意。     

索网结构不稳定平衡状态求解方法研究

索网结构的施工张拉成形过程是不稳定平衡状态求解过程,在此过程中机构和弹性位移相互耦合。基于索无应力长度,采用解析抛物线索单元,考虑弹性变形和张力关系;利用铰接体系平衡矩阵理论求解节点不平衡力向量,避免机构刚度矩阵奇异求解难题;最后,用动力松弛法求解将这一耦合问题解耦。算例表明,该方法能求解张力结构成形过程中的不稳定平衡...     

结构刚度对桥梁固有频率和模态的影响

基于Euler-Bernoulli梁理论,给出了桥梁在列车移动荷载下的动力学模型,对比分析了考虑刚度效应前后的固有频率和振型模态,结果表明：刚度越大,桥梁固有频率越高,并且固有频率阶数越低,刚度的影响越大,振型模态受刚度的影响不大,主要取决于跨度、边界条件和质量。     

Prestressing design method for cable net structures

One of the most important aspects of the design of cable structures is the degree of pre-tensioning, since it affects load bearing capacity, deformability and costs. The prestress state can be attained through jacks or turnbuckles and in both cases may be regarded as the result of a set of imposed distortions. In the present paper a suitable combination of distortions representing the pre-tension level is optimized under stiffness requirements. A good compromise between the expected response to service loads and pre-tension forces (which for instance the cost of anchorages depends on) is aimed for.     

Nonlinear analysis of cable structures using the dynamic relaxation method

The analysis of cable structures is one of the most challenging problems for civil and mechanical engineers. Because they have highly nonlinear behavior, it is difficult to find solutions to these problems. Thus far, different assumptions and methods have been proposed to solve such structures. The dynamic relaxation method (DRM) is an explicit procedure for analyzing these types of structures. To utilize this scheme, investigators have suggested various stiffness matrices for a cable element. In this study, the efficiency and suitability of six well-known proposed matrices are assessed using the DRM. To achieve this goal, 16 numerical examples and two criteria, namely, the number of iterations and the analysis time, are employed. Based on a comprehensive comparison, the methods are ranked according to the two criteria. The numerical findings clearly reveal the best techniques. Moreover, a variety of benchmark problems are suggested by the authors for future studies of cable structures.     

大型索结构断索动力响应研究

在大型索结构中,拉索作为主要受力构件承担较大的荷载。分析断索对结构的影响,成为大型索结构抗连续倒塌设计的关键。选取FAST望远镜、国家速滑馆、卡塔尔卢塞尔体育场、三亚国际体育产业园体育场、日照奎山体育中心体育场、大连梭鱼湾专业足球场等多个大型索结构工程,针对结构中典型拉索发生断索的情况,采用动力分析方法研究断索后结构的动力响应,总结索网(双向正交、三角形网格)、轮辐式索桁架(单环索、双环索、内环带刚性挑棚)等不同类型索结构断索后动力响应的特点以及断索引发的动力系数。研究结果表明：除三角形网格单层索网外,其他类型的索网、轮辐式索桁架等索结构在断索后的动力系数均出现大于规范推荐取值的情况,推荐采用动力分析方法进行断索分析;双向正交单层索网刚度、稳定性和内力重分布能力较三角形网格单层索网小,拉索断索产生的动力效应较大;索桁架交错布置的单环索轮辐式索桁架结构同双环索轮辐式索桁架结构相比,径向索、环索断索后相互产生的动力效应较小;对于轮辐式索桁架结构,当上弦设有与径向索同向布置的膜拱及交叉次索时或当环索处设有刚性挑棚时,可有效降低断索产生的动力效应。     

自重对索网结构找形的影响

由于现在的计算机硬件和程序开发平台相对于过去有了很大的改进，因此，对于承受均布荷载的索网结构，有必要采用更精确的有限单元模型，对过去的简化两节点模型进行改进。本文作者采用五节点曲线单元模型建立了索网结构有限元模式，自编了程序，对索网结构考虑其自重作用下进行找形，并和原来两节点不考虑自重作用找形分析的结果作了比较，结果证明，自重对找形有一定的影响。     

单层马鞍形无内环交叉索网结构受力性能研究

为提升内环索网结构抗连续倒塌能力与经济性,提出一种单层马鞍形无内环交叉索网.该新型索网具有抗连续倒塌能力强、鲁棒性好等优势.首先介绍了单层马鞍形无内环交叉索网的结构形式并给出了该结构的数学表达式;然后采用大型通用有限元软件ANSYS对单层马鞍形无内环交叉索网进行参数化建模、找形分析和结构设计,并采用生死单元法对该索网断...     

体育场马鞍面单层索网屋盖结构方案分析

为满足某体育场屋盖采用马鞍面单层索网结构的需求,提出轮辐式单层索网结构和无内环单层索网结构两种方案。基于方案的外形、构件和节点设计信息,比较两种方案下的拉索、索端锚具和大型索夹节点用量等经济指标。利用有限元分析软件Midas/Gen建立模型,分析两种方案在静力荷载作用下的位移和索力,对比两种方案的结构整体刚度、索力大小和索力分布均匀性。利用有限元分析软件Ansys/Ls-dyna建立模型,采用拆除构件法分析两种方案断索后的动力响应,研究两种方案抗连续倒塌性能。结果表明：无内环方案的拉索、索端锚具、大型索夹节点用量均显著少于轮辐式方案的,经济性更好;无内环方案的刚度较大,整体性好,索力较小且索力分布更均匀;无内环方案断索后仍保持形状稳定且索力损失不明显,抗连续倒塌性能更好。     

Analysis on single-layer hyperbolic cable net structure schemes of stadium roof

为满足某体育场屋盖采用马鞍面单层索网结构的需求，提出轮辐式单层索网结构和无内环单层索网结构两种方案。基于方案的外形、构件和节点设计信息，比较两种方案下的拉索、索端锚具和大型索夹节点用量等经济指标。利用有限元分析软件Midas/Gen建立模型，分析两种方案在静力荷载作用下的位移和索力，对比两种方案的结构整体刚度、索力大小和索力分布均匀性。利用有限元分析软件Ansys/Ls-dyna建立模型，采用拆除构件法分析两种方案断索后的动力响应，研究两种方案抗连续倒塌性能。结果表明：无内环方案的拉索、索端锚具、大型索夹节点用量均显著少于轮辐式方案的，经济性更好；无内环方案的刚度较大，整体性好，索力较小且索力分布更均匀；无内环方案断索后仍保持形状稳定且索力损失不明显，抗连续倒塌性能更好。     

温度变化对正交索网结构非线性振动的影响

正交索网结构作为屋盖支承体系有着广泛的应用,属于一种柔性结构,对外荷载的作用比较敏感.非线性自振特性的研究对于正交索网结构在风荷载作用下的响应分析具有重要意义.本文考虑温度变化及几何非线性影响,采用连续化理论导出了正交索网结构非线性振动方程.通过Galerkin原理,将偏微分方程转化为常微分方程,并采用改进的L-P法对常微分方程进行了求解.结合算例讨论分析了温度变化、振幅等因素对正交索网结构非线性振动的影响.算例表明,正交索网结构固有频率随着温度的升高而减小,自振频率密集,具有较强的非线性,其自振频率随着振幅发生变化,其非线性振动呈现"硬弹簧"特性,正交索网结构的非线性自振频率高于线性频率.     

保持承载刚度的张拉整体结构预应力降低方法

几何刚度对张拉整体结构承载刚度的贡献通常与弹性刚度的贡献量级相当,但仅依靠高预应力保证结构承载刚度效果一般.而通过调整结构形状提高弹性刚度并替换部分几何刚度的贡献,可以在保持张拉整体结构承载刚度不变的前提下降低预应力.为此,将杆件原长变化作为基本变量,分析了该变量与单元内力、节点位移以及弹性和几何刚度矩阵的增量关系.建...