基于ANSYS的单层索网幕墙结构几何非线性有限元分析

单层平面索网幕墙结构是一种通过对拉索施加预应力,为幕墙结构自身提供刚度,抵抗平面外荷载的结构体系。由于索网结构质量轻,阻尼小,对风荷载及地震荷载所引起的振动作用不容小觑,所以设计时除考虑平面内玻璃自重外,风荷载和地震荷载也应加以考虑。本文基于北京中关村生命科学园项目单层索网幕墙结构设计和施工方案设计,初步拟定设计方案。计算作用于幕墙结构上的荷载,通过ANSYS14.0有限元软件采用更加先进的LINK180单元模拟不锈钢拉索,建立单层索网幕墙结构理论分析模型,充分考虑结构的初应力和几何非线性,对拉索的受力状态及拉索边界连接点的反力进行研究。计算幕墙自重和风荷载标准值作用下索网的挠度,确定产生最大挠度的位置及最大挠度值,依据规范要求,对索网最大挠度值进行验算;在组合荷载作用下,对索网结构中拉索承受的拉力进行计算,分别确定橫索和竖索产生最大拉力的位置和大小,依据规范对拉力值进行验算;计算索网结构与边界连接各点的反力,介绍过载保护器的工作原理及其在单层索网幕墙结构中的应用。通过模型计算结果验证了设计的可行性,分析幕墙结构在设计和施工中要把握的要点及需要注意的问题,对其它类似项目的设计和实施具有借鉴意义。     

国家速滑馆大跨度马鞍形单层正交索网整体提升张拉施工关键技术

国家速滑馆工程大跨度马鞍形单层正交索网,是目前世界上类似结构中跨度和规模最大的索网结构,其拉索数量多、内力大,均采用双索设计,且拉索提升张拉过程中支座水平可滑动,索网提升、张拉施工难度大.针对这一技术难题,本文提出了"定长拉索地面编网、承重索整体提升、稳定索张拉成形"的总体施工方案和定长索安装理念,通过全过程施工仿真分...     

苏州游泳馆马鞍形单层索网拉索施工工艺研究

苏州游泳馆是马鞍形单层正交索网结构,由V形钢立柱、马鞍形受压环梁、正交的承重索和稳定索以及刚性屋面与幕墙组成,屋盖投影为直径约106m的正圆。其承重索与稳定索均采用定长双索,拉索总数为62对,124根,2种拉索相交处共设置了777个索夹节点。由于其拉索数量大、索夹节点多,苏州游泳馆拉索施工摒弃了传统的满堂支架法与整体牵引提升法,创新性地采用了高空溜索组装法施工,通过溜索方式流水安装承重索和稳定索,拉索在高空成网,取得了一系列的社会经济效益,实现了科学施工、绿色施工的目标。     

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。     

国家速滑馆大跨度马鞍形索网结构关键施工技术

国家速滑馆屋盖为大跨度马鞍形单层双向正交索网结构,支撑于周圈钢环桁架上,并在环桁架外侧设置幕墙拉索。针对国家速滑馆屋盖跨度大、拉索数量多、规格和内力大、承重索和稳定索采用双索等技术难题,从安装方法选择、施工仿真分析、容差配合设计与施工、提升和张拉技术和施工监测等方面进行研究,总结出国家速滑馆屋面索网结构施工成套关键技术,为工程的顺利施工奠定基础。     

大开口车辐式索承网格结构静力性能影响因素分析

为了深入了解大开口车辐式索承网格结构的静力性能,借助弹塑性非线性全过程分析,分别对索杆体系预张力大小、撑杆高度、外边界环梁高差、环索平面形状、刚性网格矢高、刚性网格形式、刚性网格肋梁曲率及内环高差等影响因素进行分析。分析结果表明:索系预张力主要影响结构的初始形态;增加撑杆高度和刚性网格矢高都能有效地提高结构的刚度和承载力;合理选取边界环梁高差及环索平面形状,可以使得车辐式索杆体系的传力更高效,有效降低索的张力水平;带斜杆的刚性网格对结构刚度和承载力更有利;适当增加肋梁曲率,可提高结构承载力,增大刚性网格刚度;刚性网格内环高差对结构静力性能影响较小。     

用于点支承玻璃幕墙的单层平面索网结构设计

单层平面索网结构常用于点支承玻璃幕墙的支承结构。基于单索幕墙拉索的切线刚度的特点和有限元分析,对索的截面面积、预应力、温度变化及变形控制等因素对单层平面索网结构性能的影响进行探讨。     

江宁国家电网玻璃幕墙拉索结构设计与优化

南京江宁国家电网玻璃幕墙采用单层平面索网索结构,拉索为不锈钢材质,与常规玻璃幕墙相比,其具有索网面积大、变形控制难的特点.原索网结构由于不锈钢拉索应力松弛大、拉索高空张拉技术难等缺点,故需对其优化设计.通过调整索网结构布置、改变索材等,设计了几种优化方案并与原方案进行对比研究,包括索网结构内力和变形的对比分析,并考虑了结构局部变化对结构性能的影响.分析研究表明,索材替换对索网拉索的内力和变形影响不大,而索网支撑布置的变化对索网的结构性能影响较大.     

自平衡索杆幕墙设计分析——以青岛·上合之珠国际博览中心项目综合馆为例

该文通过对青岛·上合之珠国际博览中心项目综合馆南立面拉索玻璃幕墙系统设计阶段进行分析总结,描述了方案设计阶段拉索结构选型过程中的设计思路及简便估算方法,根据本项目拉索系统曲面构造的自身特点,通过张弦梁结合单层索网体系的组合结构,形成马鞍形的自平衡索杆结构体系,极大地降低了索力,解决了超大跨度拉索幕墙系统对主体结构反力过大的问题。同时分析了不锈钢密封索的优点及截面形式,为后续同类拉索幕墙设计提供了更多思路。     

国家速滑馆索网结构形态分析关键问题研究

系统梳理了2022年北京冬奥会国家速滑馆索网结构形态分析中的关键问题,包括位形优化、固定边界下的形态分析和考虑弹性边界的形态控制。位形优化部分,介绍了决定索网位形关键参数的选取策略。首先基于理论双曲抛物面方程建立索网位形的数学描述;然后证明了正交正放双曲抛物面索网每个网格的四个角点共面,该特性使屋面模块可以按照平面设计和加工,显著降低加工和安装难度,从工程实施角度提出了索网位形控制的需求。之后根据几何约束条件,提炼出决定索网位形的关键参数,并通过参数分析,综合考虑JGJ 257—2012《索结构技术规程》建议范围、环桁架受力、预应力水平、刚度与用索量等因素,分别选取承重索垂度和稳定索拱度为8.25 m和7 m,进而确定索网的目标位形。形态分析环节实现了固定边界条件下的索网形态控制。考虑边界形状、拓扑关系、预应力和屋顶重量分布等因素的共同影响,通过形态分析,使索网初始态位形相对理论抛物面最大偏差距离不超过5 mm,基本吻合双曲抛物面,同时索网水平投影为严格的正交正放网格,保证每个网格的四个角点共面。通过调节预应力水平,可以控制预应力在索包络力中所占比重和几何刚度在结构总刚度中所占比重,达到结构综合指标最优。考虑弹性边界的形态控制是索网形态分析的最终目标。首先分析了支承结构弹性变形对索网形态的影响,发现直接应用固定边界形态分析得到的索网初应变时,索网初始态位形最大偏差为502 mm,承重索和稳定索内力分别下降了11.1%和7.3%。然后通过环桁架预变形和修正索网初应变,使主受力体系初始态中的索网形态与固定边界结果一致,实现了弹性边界下的索网形态控制,同时还使环桁架和斜拉索到达预定形态。     

基于模态修复的索网结构关键刚度补偿方法

通过动力模态测试可以便于监测索网结构的刚度。通常仅需测试少量目标模态即可评价对主控荷载作用下的结构变形起主要抵抗作用的关键刚度。针对由预应力偏差引起的结构刚度退化问题,提出了通过补张拉来修复目标模态以实现索网结构关键刚度补偿的方法,建立了索网结构预张力偏差、单元长度误差与结构刚度矩阵变化之间的解析关系,分析了目标模态参数修复与结构关键刚度补偿间的理论关系。给出了一种密频区域内目标模态集合的简便扩展方法。基于矩阵摄动理论,建立了补张拉索的索长调整量与目标模态参数变化量间的方程。对于限定补张拉索数量的情况,采用补张拉索的优选策略以提高目标模态参数的修复精度。利用所提出的方法对一个具有预应力偏差的马鞍形索网结构算例进行了补张拉分析。计算结果表明,通过目标模态修复和补张拉索优选可以有效实现索网结构关键刚度偏差的补偿。     

车辐式张拉结构体型研究与设计

掌握车辐式张拉结构的找形方法和了解体型对结构受力性能的影响,是设计该类轻型屋面的关键,为此结合理论推导和数值模拟方法对这两方面展开研究。首先,引入力密度法用于结构初始平衡态的确定,提出“由形找力再找形”的思路,从而避免了拓展力密度法收敛性差的缺点,成功实现了马鞍形车辐式张拉结构的找形分析。然后,分别从内外环平面投影、外环空间形态以及索桁架形式等多个角度对单、双层车辐式结构的体型进行比选,分析不同体型结构的适用性和结构刚度的主要影响因素。研究结果表明：内外环形状相似对车辐式结构最为有利;马鞍形外环的高差对结构刚度影响很小;凸索桁架能有效提高结构刚度,但应注意避免侧向失稳。     

考虑损伤因素的单层平面索网静力试验研究

在单层平面索网玻璃幕墙建筑的使用过程中,单层平面索网作为支承结构,不可避免地会受到各种损伤。为了研究损伤因素对单层平面索网结构静力承载性能的影响,针对尺寸为4.85m×4.85m的4×4网格索网结构足尺试验模型,分别引入索与索之间连接节点失效、索预应力损失、索锚固端破坏这三种损伤因素,进行静力加载试验研究。试验结果表明:横索与竖索连接节点失效几乎不影响单层平面索网结构的承载性能;索预应力损失时,节点索网平面外位移变化率不超过15%;锚固端破坏对结构局部影响较大,节点平面外位移变化率介于18%～36%;损伤因素对节点平面外位移的影响大于索力;损伤的影响取决于损伤程度和损伤位置;相同损伤对结构的影响程度随荷载增加而减小。     

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。     

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...     

单层平面索网结构找形分析

由于横索悬垂、复杂边界和不对称张拉等因素影响,大尺度单层平面索网玻璃幕墙中出现玻璃安装困难和索力耦联等问题。提出了单层平面索网结构的找形问题,并分析了该问题的独有特点和解决的必要性。针对此类找形问题,文中对非线性有限元逆迭代法进行推广,提供了方便实用的解决方法。为了提高迭代的收敛速度,引进了找形差值修正比例因子矩阵,并给出了该矩阵元素的具体计算公式。算例证明,该方法精确实用,表明单层索网玻璃幕墙支承体系的找形分析非常必要,而且经找形后的索网索力分布更均匀,减少了两个方向索力的耦联,提高了索网结构的安全性和经济性。     

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。     

点支式玻璃建筑单层索网体系的动力特性分析

点支玻璃建筑单层索网体系是一种几何非线性较强的柔性张拉结构,其刚度受索中预应力影响较大。目前专门针对该结构动力特性方面的研究尚不多见。阐述了索网这种柔性预应力结构动力特性分析的特点,编写了相应的有限元程序,对索网自振特性的重要影响因素即几何非线性和预应力进行了研究,表明忽略几何非线性会使结构计算结果产生极大偏羞。索网的自振频率与预应力呈非线性关系,几何非线性和预应力对索网的自振特性的影响具有协同性。     

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。     

拉索预应力巨型网格结构体系

阐述了拉索预应力巨型网格结构体系发展与研究的必然性和必要性;介绍了针对这一体系提出的各种结构形式中拉索预应力的布置原则、受力机理及具体形式;回顾了拉索预应力巨型网格结构体系的研究现状,包括静力及稳定性能、预应力索张力计算及其优化、张拉全过程分析、结构动力特性等。总结了该结构体系中各参数的合理取值,得到了较优的预应力大小及预应力分布比例,提出了针对静力性能的三级优化方法及预应力索张拉施工过程中索力的计算方法,得到了布索后结构的动力特性变化规律。最后对拉索预应力巨型网格结构体系研究的关键问题及发展方向进行了展望。