蜂窝四撑杆型索穹顶的构形和预应力分析方法

提出了一种新型的蜂窝四撑杆型索穹顶,它的构形为索穹顶的上弦索是一种蜂窝形网格布置,下弦节点处设有四根撑杆,上弦节点处设有两根撑杆.改变了现有国内外工程应用和研究的索穹顶,如肋环型、葵花型、Kiewitt型、鸟巢型索穹顶的上弦为长矩形条或联方形的网格布设,也改变了上、下节点处只有一根竖向撑杆的特点.完全抛弃了Fuller构想拉索海洋与撑杆(压杆)孤岛的构形.这种蜂窝四撑杆索穹顶具有环索、斜索数量少,撑杆和整体结构稳定性好,施工张拉方便,造型丰富优美等诸多优点.文中还根据节点平衡方程,推导了蜂窝四撑杆型索穹顶预应力态索杆内力的一般性计算公式,对若干参数的索穹顶给出了索杆预应力的计算用表和对比分析,以了解索穹顶预应力态的分布规律和特性.本文研究为索穹顶的设计和选型提供了新形式、新思路.     

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,详细推导了预应力索杆内力的一般性递推计算公式,并根据若干参数给出了大量的算例计算结果,以了解索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。研究工作可为索穹顶结构的选型和设计提供参考。     

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。     

肋环四撑杆型大开口弦支网壳体育场罩篷结构形态分析及优化设计

为从结构体系层面改善大跨度屋盖结构受力性能和经济性，提出一种肋环四撑杆型大开口弦支网壳的结构形式，可应用于大跨度体育场环形罩篷结构。与常规的弦支网壳不同，该结构的下弦节点设置四根撑杆，提高了整体结构的稳定性；且上弦层网格可采用铰接节点，减少环索和斜索的用量，预应力张拉施工便捷。区别于多撑杆类索穹顶，该结构上弦不采用索系而采用杆系，使造价经济，且便于铺设刚性屋面。针对该大开口弦支网壳，根据节点平衡方程，推导出了预应力态索杆内力一般性计算公式，分析了弦支网壳预张力分布随几何参数的变化规律。以跨度200 m的大开口体育场罩篷为例，通过全局敏感性及相关性分析，揭示了该弦支网壳整体刚度的主要影响因素为几何参数，而预张力仅起到维持局部稳定和预起拱的作用。基于两种改进遗传算法对该弦支网壳结构进行了优化设计与权衡分析，结果表明在满足稳定性前提下适当提高结构矢高和厚度，有利于改善结构刚度和经济性。最后对张拉施工和静力加载至整体失稳的全过程进行了模拟分析，表明该弦支网壳可高效利用上弦杆拉、压两端的截面强度，而施工阶段仍有必要引入临时支撑。     

葵花三撑杆型弦支网壳大开口体育场罩篷结构形态优化设计及张拉-受荷全过程模拟

提出一种新型葵花三撑杆型大开口弦支网壳的结构形式,可用于大跨度体育场环形罩篷结构.不同于传统弦支网壳,下弦节点处设有交汇的三根撑杆,可减少环索和斜索用量,便于张拉施工,且改善了整体结构的稳定性;还有别于拓扑相同的葵花三撑杆型索穹顶结构,上弦采用杆系替代昂贵的索系,使造价经济,且便于铺设刚性屋面.考虑不同的施工成型方法,探讨了主次结构型(先张主结构、后装次结构)和整体结构型两种结构形态.根据节点平衡方程,分别推导给出了两种结构形态的弦支网壳初始态索杆内力一般性计算公式,分析研究了多个参数对预张力分布的影响规律.文中还基于两类改进遗传算法对200m跨度的大开口体育场罩篷弦支网壳结构进行了优化设计,分析结果表明这种结构形式具有良好的技术经济指标.最后对张拉施工和逐步加载至整体失稳的全过程进行了模拟分析,提出改善结构施工过程及服役阶段承载安全性的建议.     

向心关节索杆体系弦支穹顶张拉模拟分析

将向心关节索杆体系应用于弦支穹顶结构中,改变以往张拉环向索通过环向拉索滑动传递预应力的方式,利用撑杆的转动位移建立预应力,避免环索与节点摩擦出现预应力损失的问题。以东亚运动会团泊自行车馆弦支穹顶张拉分析为例,采用有限元分析软件ANSYS进行施工放样态正分析找形和反分析找形,得到了结构张拉前的放样态。结果表明,反分析找形对于该类索杆体系放样态找形更加有利。经反分析找形,最终采用混合张拉方式,即先预紧径向拉杆,再张拉环向索。对张拉过程进行了全程模拟,得到张拉过程中张拉力及网壳位移控制值,获得设计预应力态。     

弦支穹顶结构研究进展与工程实践

弦支穹顶结构是基于张拉整体概念并综合了单层网壳和索穹顶结构的优点后发展起来的一种预应力大跨度网格结构体系。本文在分析弦支穹顶提出的背景和力学原理的基础上,论述了国内外对弦支穹顶结构形态分析、优化设计、静动力性能、施工控制理论及其试验研究等方面的研究进展,总结了弦支穹顶相关的研究内容和研究结论。结合国内外近20项实际工程的应用,对弦支穹顶的跨度、上部网壳结构形式、下部张拉整体部分的布置、预应力施加方式、撑杆上节点和撑杆下节点等结构特性进行了分析总结,针对目前常用的预应力设计方法、节点构造、预应力张拉方案,提出了供工程应用参考的建议。指出了温度效应研究、考虑索撑节点滑移摩擦的动力反应分析、索力的测试及其补偿技术、超大跨度弦支穹顶设计理论等5项亟待解决的弦支穹顶关键课题。     

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...     

弦支穹顶结构施工过程数值模拟及施工监测

为解决弦支穹顶结构施工控制技术中撑杆下节点处的预应力滑移摩擦损失问题,考虑到滚动摩擦力远小于滑移摩擦力,提出一种含滚轴的滚动式撑杆下节点,并将其应用于某体育馆弦支穹顶结构。为验证滚动式撑杆下节点在降低预应力滑移摩擦损失方面的工作性能以及张拉施工过程中结构的安全性,采用ANSYS中的APDL语言编制了预应力施工数值模拟程序,对预应力张拉施工过程中索力、杆件内力和结构变形进行了全过程分析,同时对体育馆弦支穹顶结构预应力张拉过程进行了施工监测。结果表明：滚动式撑杆下节点的预应力摩擦损失在5%左右,是传统撑杆下节点预应力摩擦损失的50%;预应力张拉过程中,杆件轴向应力低于50 MPa,施工方案安全可行;施工监测数据验证了施工摩擦滑移数值模拟程序的可行性。     

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。     

徐州火车站无柱风雨棚悬索结构施工技术

徐州火车站站台无柱雨棚为单向受力的张弦桁架钢结构体系,该体系由钢管桁架梁、撑杆和拉索组成。通过在下弦拉索中施加预应力,使上弦压弯构件产生反挠度,结构在荷载作用下产生的最终挠度减小,成为一种新型的自平衡体系。在该结构的施工中,预应力悬索是关键部位,预应力的施加和控制是重点。因此,有必要对悬索的施工技术进行探讨,为同类预应力钢结构工程提供借鉴。     

索穹顶结构体系创新研究

我国自2009年开始建有跨度20 m左右的索穹顶,至2016年已建成跨度超百米的索穹顶结构。但回顾国内外所建成的该类空间结构,均属于传统Fuller构想张拉整体类索穹顶。其上、下弦节点只有1根垂直于水平面的撑杆,形式比较单一,如肋环型索穹顶,上弦节点的环向水平刚度较差。为此,提出了Fuller构想单撑杆（不垂直于水平面）类索穹顶,有利于增加结构跨度。并进一步提出了非Fuller构想多撑杆（下弦节点可设置2根、3根、4根撑杆）类索穹顶。这不仅可改善结构传力性能,而且又能减少斜杆（斜索）和环索数量,方便施工张拉成形。若采用多种撑杆（包括单撑杆）且多种方式设置,当上弦选用径向布置时可归纳称之为肋环系列索穹顶,当上弦选用葵花布置时可归纳称之为葵花系列索穹顶。由肋环系列索穹顶和葵花系列索穹顶可构成多种组合形式索穹顶。研究丰富了索穹顶结构形式、体系和类型,为索穹顶的设计和选型提供了新思路、新空间。     

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。     

预应力索杆组合空间网架结构研究

预应力平板网架结构施加预应力方案有两种 ,一种是在普通网架的下弦平面下设置预应力索 ,另一种是通过强行调整网架结构支座的高差来达到施加预应力的目的。为此 ,提出一种新型组合结构———预应力索杆组合网架结构 ,研究了用钢索代替下弦杆 ,并在每段钢索上施加不同预应力时所引起的结构内力和变形情况 ,与普通网架结构进行对比 ,指出了这种索杆组合网架结构的特点和应用于大跨度建筑中的潜力。     

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。     

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。     

基坑锚索预应力损失规律及分步张拉控制措施研究

针对基坑工程中锚索预应力损失的特殊性,采用现场试验的方法,对分级张拉直至破坏过程中锚索锚固体上剪应力的分布特征以及不同张拉荷载、循环加卸载下锚索预应力的损失规律进行了分析;结合工程实例建立数值模型,分析了锚索预应力在基坑分步开挖过程中的变化规律,并对一次张拉和分步张拉两种方案下支护桩的位移和弯矩变化进行了对比分析。结果表明:锚索锚固体前端的脱黏滑移是锚索初期张拉锁定损失的重要原因,张拉荷载越小、循环张拉次数越多,锚索的初期损失率越低;对于多排锚索支护桩,上排锚索预应力会因下排锚索施加而减小,而在整个开挖过程中,锚索预应力呈现波动增大的趋势;通过采取分步张拉控制措施,锚索预应力的张拉锁定及开挖损失均得以明显改善,支护桩在开挖过程中的受力和变形更趋合理,该控制措施可为类似基坑工程的施工提供借鉴。     

Levy体系索穹顶结构的静力性能分析

索穹顶结构是由索、杆及膜组成的新型预应力结构,应用在大跨度空间结构领域。利用大型有限元分析软件(Ansys),分析了结构参数(如环数、每环节点数、矢跨比等)的影响,对60m跨度Levy体系索穹顶结构的静力性能进行了研究。给出了一些合理的结构设计参数取值建议,为Levy体系索穹顶结构的设计以及工程实践提供参考。     

索桁架固定千斤顶斜向牵引整体提升的无支架施工技术及全过程分析

索桁架固定千斤顶斜向牵引整体提升的无支架施工方法,利用固定在上弦锚固节点处的提升千斤顶,通过斜向牵引上弦索来整体提升在地面低空组装的索杆系,最后通过张拉下弦索使结构成型。该方法高空作业少,节省搭设支架的费用和工期,实现工装轻型化,提高施工效率。乐清体育场挑篷为月牙形非封闭索桁架结构,采用该方法施工,并采用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,进行结构自质量初始态、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：结构自质量对弦索索力影响较大,可增大上弦索力和减小下弦索力,但对环索索力影响小;在提升牵引阶段位形变化大,上弦索和环索构成主承力构件,下弦索处于松垂悬挂状态;在下弦索张拉阶段,弦索和环索的索力逐渐增加,结构刚化成型;最外侧上、下弦钢拉杆在施工过程中内力变化剧烈,应验算其承载力;上、下弦交叉的索桁架,压杆容易出现平面外过大位移甚至翻转,此在牵引提升起始时最为不利,可在压杆顶部设置稳定工装索,保证位形几何稳定。