张弦拱桁架结构基于模态参数的损伤识别试验（英文）

张弦桁架结构是是由上部刚性拱桁架与下部柔性拉索通过中部撑杆组合而成的一种自平衡体系,具有受力合理、承载能力高、造型轻盈、跨度大等优点,被广泛应用到大跨钢屋盖结构中。但张弦桁架结构规模大、服役期限长,所处环境状况复杂,受到的荷载作用具有随机性,发生损伤的潜在危险性较大。此类结构一旦出现损伤会对结构的正常使用产生影响,甚至可能引起连续倒塌,因此研究张弦桁架结构在运营期的损伤识别具有重要的现实意义。但张弦梁结构中存在拉索、撑杆和桁架等不同类型杆件,受力机理更加复杂,其损伤识别与常规桥梁式结构或多高层建筑结构存在明显差异,目前针对张弦桁架结构的损伤识别尤其试验研究很少。因此,针对张弦桁架结构基于模态参数的损伤识别方法开展试验研究。通过对某火车站顶棚结构进行缩尺简化,设计制作了两榀张弦桁架试验模型。两榀试验模型结构尺寸相同,模型总长6 m,矢高0. 4 m,垂度0. 4 m,上部采用倒三角立体桁架,每两个节点之间由四角锥基本单元构成,结构中部均匀布置5根对称的圆钢管撑杆,下部布置直径8 mm的钢丝绳拉索,并施加2 kN预应力;试验模型一端为固定铰支座,另一端为滑动铰支座,并在结构两侧设置刚架作为受压桁架侧向支撑。两榀试验模型构件截面尺寸不同,模型1相对于模型2杆件截面尺寸较小;荷载施加情况不同,模型1未施加外荷载,模型2在模型上弦杆布置质量块模拟结构正常使用状态的荷载。试验采用不同截面尺寸杆件替换正常杆件的方法来模拟结构损伤,即通过降低截面刚度的方法来模拟杆件损伤,根据杆件截面积丧失程度定义损伤程度。试验设计了弦杆单损伤、多损伤、索撑损伤等不同程度以及不同位置的损伤工况,通过动力检测获取试验各工况前三阶模态参数:采用单点拾振、多点激励的方式进行试验,即将加速度传感器安装在桁架上弦杆件的4号节点处,然后用力锤依次对1～14号节点进行锤击,每个节点锤击激励1 min,通过动态信号采集仪采集加速度信号;根据不同工况替换相应损伤杆件,依次采集加速度信号;接着利用TSTMP模态分析软件处理加速信号,获取张弦桁架每个工况的频率与振型等模态数据,以用于之后的损伤识别分析。张弦桁架结构相对复杂,杆件繁多,可能发生损伤的部位较多,单一损伤识别方法无法一次检测出结构各部分的健康状态。因此将张弦桁架结构分为上部刚性桁架与索撑体系两部分,针对各组成部分的特点,采用基于振动模态参数的组合识别方法对张弦桁架试验结果进行分析:上部刚性桁架对结构整体频率影响较小且杆件连续,运用曲率模态差和模态柔度差曲率对其进行损伤识别;下部索撑体系杆件相对独立且单元数量相对较少,通过选取正则化频率变化率建立索撑体系频率指纹库的方法对其进行损伤识别。曲率模态差是从结构各阶模态振型入手,对结构的振型进行差分得到模态曲率,再通过计算结构损伤前后曲率模态的变化得到。模态柔度差曲率是从结构的柔度矩阵入手,由损伤前后结构的各阶振型和频率共同得到结构柔度矩阵差,再对其对角元素差分得到。上部刚性桁架进行损伤识别时,根据结构损伤前后的模态数据计算绘制曲率模态差和模态柔度差曲率曲线,曲线突变最大处判定为桁架杆件损伤位置。正则化频率变化率是从结构各阶频率入手,计算结构损伤前后的频率变化率并对其正则化得到。由于其仅是损伤位置的函数,与损伤程度无关,因此建立频率指纹库时仅需考虑每个构件的一种损伤工况,减小了样本量。索撑体系进行损伤识别时,首先建立索撑体系频率指纹库,即预先假定各种损伤工况并依据结构理论模型进行有限元分析,计算得到对应的正则化频率变化率,从而建立频率指纹库;再由实测得到的结构固有频率,计算某工况下的正则化频率变化率指标,与频率指纹库进行对比,两者最接近处判定为索撑体系损伤位置。采用张弦桁架的组合损伤识别方法分析试验数据,结果表明:1)基于前三阶频率的正则化频率变化率指标可以有效识别索撑体系的损伤。但由于索撑单元均具有对称性,因此正则化频率变化率指标无法判断对称单元的损伤情况,需要进一步验证。2)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均能够较好地识别上部刚性桁架结构的单损伤和多损伤,但其对不同位置杆件的损伤识别效果略有不同。由于下弦杆直接与撑杆相连,受撑杆影响较上弦杆大,因此曲率模态差法和模态柔度差曲率法对上弦杆的识别效果优于下弦杆。3)曲率模态差法和模态柔度差曲率法均可以通过曲线定性判断上部刚性桁架杆件的损伤程度,损伤程度越大,曲线突变程度也越大。另外,越高阶曲线突变程度差距越小,因此应利用低阶模态数据定性判断损伤程度。4)与曲率模态差法相比,模态柔度差曲率曲线在非损伤位置突变小,曲线更稳定,受非损伤位置的干扰较少,识别效果更好。基于越多阶模态数据获得的模态柔度差曲率,其曲线在损伤位置发生的突变越明显,且基于前三阶模态数据得到的模态柔度差曲率完全可以满足损伤识别的精度要求。另外,越高阶振型数据得到的曲率模态差曲线突变越大,但其受干扰也越大,一般运用前两阶曲率模态差曲线可以得到较好的损伤识别效果。     

考虑损伤累积效应的拱形立体桁架结构倒塌分析

以实际工程为背景,通过ABAQUS损伤材料子程序对拱形立体桁架结构进行连续倒塌分析,考虑了杆件失稳的影响,研究了该类结构在强震作用下的倒塌破坏机理和破坏模式。结果表明,强震作用下,拱形立体桁架结构杆件损伤不断累积,刚度逐渐退化,最终失效退出工作。损伤累积效应使杆件应力减小,应变增大,同时节点位移幅值增大。在地震波作用下,中间主桁架柱腹杆最先失效退出工作,随后失效区域沿主桁架平面外方向扩展并由柱脚发展至结构顶部。地震作用结束后,主桁架1/4跨度处腹杆以及部分长细比较大的柱腹杆发生失稳破坏。考虑杆件失稳的影响,将导致部分杆件提前失效,但对整个结构的破坏模式影响不大。     

《四川建筑科学研究》04/2013张弦桁架结构静力稳定性分析

考虑结构构件稳定性设计的重要性,结合钢结构设计规范的相关要求,以某体育展馆张弦桁架结构为例,对张弦桁架结构进行特征值屈曲分析,研究了张弦桁架结构的失稳形式,考虑材料非线性进行非线性屈曲分析研究结构荷载---位移全过程工作性能。本文结合实际工程运用ANSYS有限元对张弦桁架结构进行稳定分析,得到以下结论：1、结构的前5阶屈曲模态均为平面内整体失稳。2、在杆件没有进入塑性之前,结构刚度较大,而随着杆件大面积进人塑性,材料软化造成刚度总体呈减弱趋势,直至最终发生失稳。结构的破坏荷载远大于设计荷载,有足够的强度储备。     

铝合金桁架桥受施工顺序影响的力学性能研究

为研究施工顺序对桁架桥的受力影响,对结构安全性进行评估。以某铝合金人行天桥为例,利用MIDAS软件进行施工阶段全过程分析,对比分析施工顺序不同时铝合金桁架桥的结构效应差异,定量分析了铝合金桁架桥的力学性能变化。计算得到了施工顺序改变前后该桁架桥的跨中挠度值、挠度差值和各杆件应力值及其应力差值。结果表明,缺失部分斜腹杆情况下安装主梁,然后桥面附属结构全部安装完成以后再安装缺失腹杆时,桁架桥的跨中竖向挠度最大增加1.46mm,上弦杆应力最大增加11.44MPa,下弦杆应力最大增加8.50MPa,竖腹杆应力最大增加6.53MPa,斜腹杆应力最大增加5.34MPa,约半数以上杆件的应力均发生了变化,结构的杆件不按正常的顺序施工时会降低桁架桥的承载能力。     

张弦桁架上弦面腹杆型式对结构内力的影响研究

对桌跨度为100m的张弦桁架结构,研究上弦面斜腹杆采用3种不同形式时的结构受力特性,通过MATLAB编程法内力计算和ANSYS验证,结果表明交叉式结构体系受力性能最好,锯齿式次之,山脉式最差,这些研究结果对张弦桁架结构设计有着重要的指导意义。     

大跨度空间张弦桁架结构自振特性及参数分析

文章对大跨度张弦桁架结构的自振特性进行了研究。以典型铁路站房屋盖空间张弦桁架为研究对象,采用有限元分析方法,讨论了屋面荷载、拉索预拉力、支座类型、撑杆数目等因素对大跨度张弦桁架结构自振特性造成的影响。研究表明:结构的基频为0.636 5,结构自振频率分布非常密集,前20阶结构主要表现为平动和竖向振动,20阶以后结构以竖向的局部振动和扭转为主;结构承受的荷载对结构20阶以后的自振频率影响较大,每增加0.5倍荷载,自振频率的减少幅度约降低5.0%;预应力、支座类型对张弦桁架结构的自振频率影响很小;撑杆数目增加,结构自振频率减小,撑杆数目对结构高阶模态影响较大。研究成果可对铁路站房抗震设计、动力分析及后期运营维护提供理论基础和设计建议。     

基于应变差值类影响线的桁架损伤识别

面向基于静力测试数据的结构损伤识别问题,发展一种基于应变差值类影响线来识别损伤的方法,该方法利用事先规定应变测量单元的桥梁结构在单位移动荷载作用下的应变影响线,通过差值、求导计算,提出以应变差值、一阶导和二阶导影响线作为损伤指标的损伤诊断方法,一点测量多点激励,直接对所得影响线图进行观察即可准确定位损伤。本文分别以钢桁梁桥和星海跨海悬索大桥主桁架简化模型为例,分析了距离损伤杆远近不同的腹杆做测点识别损伤的效果,结果表明:该方法可以有效识别桁架腹杆损伤。     

张弦桁架结构基于模态参数的损伤识别

以某火车站的大跨张弦桁架雨棚结构为例,采用有限元软件ANSYS建立模型,且利用减小构件截面积模拟弦杆和拉索的多种损伤工况。采用模态置信因子(MAC)法、坐标模态置信因子(COMAC)法和曲率模态法对结构进行损伤识别。结果表明:MAC法可以进行初步损伤判断,但不能进行有效的损伤定位;COMAC法仅在损伤超过50%时才具有较好的诊断和识别效果,COMAC法理论上可实现杆件损伤定位,但需要较多阶振型数据才能判断,实际应用成本偏高;曲率模态法对张弦桁架具有较好的识别效果,无论是弦杆和拉索截面出现损伤,曲率模态指标在损伤处产生突变,按其突变程度大致判断损伤程度,可作为大跨张弦桁架结构损伤识别的有效方法。     

平面钢桁架抗弯承载性能试验及有限元分析

GB 50017-2003《钢结构设计规范》中规定,桁架杆件采用节点板连接时,计算模型的连接方式可简化为铰接。现对1榀18m跨钢桁架进行设计荷载下的三分点加载试验研究,并与软件计算结果对比,得到桁架内力和位移响应,得出最优计算模型。结果表明:1)桁架结构中节点对腹杆约束影响范围为(0.15~0.3)杆件长度,建议腹杆计算长度取0.85杆件长度较为安全;2)采用铰接计算模型校核正常使用状态下的挠度较为合适;采用刚接模型校核应力较为合理。     

基于粒子群优化算法(PSO)的张弦桁架结构优化设计

本文采用Matlab语言编制了张弦桁架结构通用的有限元模型分析程序。通过此程序,可以快捷地得到不同几何参数的张弦桁架结构模型,并能进行杆件内力分析,分别采用SAP2000和ANSYS分析软件对其计算结果进行了验证,结果表明三者的计算结果一致。在此基础上,采用Matlab语言编制了粒子群算法优化程序,对某实际张弦桁架结构采用本文优化方法进行了优化设计,优化结果表明本文提出的优化方法具有较高的精度和较好的收敛性。最后对不同跨度的张弦桁架结构模型进行了截面优化设计,为初步设计提供了参考。     

钢桁架结构在人行天桥中的应用

传统的梁式结构往往不能满足跨度较大的人行桥对自振频率的使用要求,因此钢桁架结构逐步出现在北京城,由此而带来的大跨度桁架与自振频率、杆件的不同布置形式与自振频率、不同杆件截面与自振频率相互关系等问题的出现,因此,以Sap2000作为有限元分析软件,对连续桁架梁和简支桁架梁进行计算模拟,得出了不同结构体系与桥梁自振频率关系和不同腹杆布置形式、不同截面形状的情况下,桥梁与强度、刚度、自振频率、舒适感的相互关系;提出了钢桁架梁在人行桥领域应用时需要注意的事项。     

腹杆角度对平行弦木桁架受力性能的影响

为研究腹杆角度对平行弦木桁架承载性能的影响,对跨度为2000 mm、杆件截面尺寸200 mm×89 mm的平行弦木桁架进行了Smsolve结构力学求解器理论模型分析与有限元模拟.在此基础上,对平行弦木桁架进行了静力加载试验,分析了平行弦木桁架在不同腹杆角度下的极限荷载、受力分布规律和主要破坏形式,验证了平行弦木桁架模型...     

合肥滨湖国际会展中心综合馆大跨度钢-铝组合张弦空间桁架屋盖体系设计技术研究

针对合肥滨湖国际会展中心综合馆大跨度屋盖,提出一种钢-铝组合张弦空间桁架新型受力体系,其中上部组合桁架的下弦杆、腹杆采用钢构件,组合桁架上弦杆采用铝合金型材,撑杆和拉索为钢结构,该体系集合了传统张弦桁架空间受力特点和铝合金结构的优点,形成铝合金主结构与屋盖围护系统一体化设计。介绍了屋盖受力体系的构成、钢-铝合金连接节点、一体化屋面和张弦桁架的分析设计结果,同时研究了屋盖结构的稳定性、抗连续倒塌等问题。分析结果表明,屋盖体系各项指标均满足规范要求,可为钢-铝合金组合空间桁架结构体系的研究和应用提供参考。     

梅江会展中心张弦桁架抗连续倒塌分析

通过对天津梅江会展中心张弦桁架移除关键构件后的残余结构的承载力分析,得到张弦结构的支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆等关键构件的破坏对结构承载力影响最大;为了模拟杆件失效前静力荷载产生的初始变形对结构连续倒塌的影响,采用考虑初始变形的全动力等效荷载瞬时卸载法模拟杆件失效。对支座、边索和边跨桁架支座处下弦杆失效进行连续倒塌动力分析,研究了纵向联系桁架对张弦结构抗连续倒塌的作用,得到平面张弦桁架通过纵向联系桁架组装成一整体,其整体性随着纵向联系构件抗弯刚度的增大而提高,共同作用效果明显。在此基础上,利用山墙的抗风柱,将边跨张弦桁架改变为多支点支承的普通桁架,设计时该抗风柱不仅承担水平风荷载,还承担竖向荷载,从而提高结构的抗连续倒塌能力。并根据该工程的特点提出集桁架支座、张拉端（锚固端）和桁架下弦管于一体的铸钢节点构造,不仅满足建筑要求,还使得该处节点承载力大大加强,可供相关工程参考。     

交错钢桁架体系的腹杆布置及其截面形式研究

混合桁架是钢结构交错桁架体系常用的桁架形式，用于工程实践时，应采用适宜的腹杆布置形式及经济合理的截面形式。本文主要研究了以下几个方面的问题：因建筑需要而设置的空腹节间处于桁架内不同位置时，桁架杆件在竖向荷载作用下的内力变化；常用对称式混合桁架的腹杆布置形式对桁架内力及总用钢量的影响；桁架腹杆采用T型钢、矩形钢管、圆钢管、角钢时桁架的总用钢量比较。比较结果表明：空腹节间不应设置在桁架端部；常用混合桁架腹杆采用“之”形布置时用钢量最省；桁架腹杆选用T型钢和角钢较为经济合理。     

某超高层塔楼悬挑桁架设计分析

某超高层主体结构高285m,为带伸臂桁架的型钢混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构。结构角部区域采用悬挑桁架以悬挂或上托多个楼层,悬挑尺寸约6m。对悬挑桁架的腹杆及相邻内跨腹杆布置形式、杆件截面形式以及竖向地震作用加速度放大系数进行了分析和探讨,相关结论可供同类工程设计参考。     

北京2008奥运会国家体育馆

国家体育馆是2008年奥运会三大场馆之一,建筑总面积80 890m2。整个屋顶投影面积为23 225m2。国家体育馆的下部主体结构采用了钢筋混凝土框架剪力墙与型钢混凝土框架钢支撑的混合结构体系,屋盖采用了造型新颖的双向张弦空间网格结构体系。整体屋盖的双向张弦空间网格结构由二部分组成:1)大网格的正交正放桁架系组成的空间网格结构,网格间距为8·5m,结构高度为1·52~3·97m;2)在比赛区域,网格结构下部设置了撑杆和双向张拉弦杆,撑杆的最大长度为9·25m。网格结构上弦面内所有杆件以及腹杆和撑杆均采用圆钢管,下弦面内所有杆件为矩形管,钢索采…     

某采光顶及幕墙支承结构设计

对某工程入口采光顶及幕墙支承结构的设计进行了深入探讨.由于建筑造型的要求,该采光顶张弦桁架与一般张弦桁架有很大区别,为了保证桁架的整体稳定,需要在上弦杆设置面外撑杆、竖腹杆与上弦杆刚接且要求竖腹杆截面的面外抗弯刚度大于面内刚度.此外,由于入口幕墙风荷载主要由采光顶边梁来承担,且该梁跨度达到36m,采用箱型宽扁梁截面可以满足其强度和变形要求.最后,由于下弦杆张拉力较大且竖腹杆与上弦杆刚接,必须设计合理的张拉施工方案,以保证结构安全.     

空腹式张弦桁架施工动态仿真技术研究

空腹式张弦桁架结构是一种新型的预应力钢结构体系。上部桁架无斜腹杆,形成通透空间;下部为高强拉索。上、下两部分之间采用撑杆连接。通过工程实例,研究该类结构体系的预应力施工动态结构模型建立、施工工况仿真计算等内容。     

基于杆端缩尺的钢桁架结构二次优化

领结式整体节点通过杆端截面高度的缩尺设计,可有效降低矩形钢管桁架结构的次内力。以简支Warren桁架为研究对象,采用ANSYS软件进行了钢桁架结构基于杆端缩尺的优化设计,分析了主要结构参数对桁架最小用钢量的影响规律。其中,设计变量包括杆件截面壁厚、缩尺高度比和缩尺长度比,约束条件包含结构竖向刚度、截面应力、杆件稳定、结构整体稳定等,杆件稳定系数的取值则依据杆端缩尺压杆承载力的有限元分析结果。结果表明,钢桁架采用杆端缩尺设计并适当提高缩尺段钢材强度等级之后,结构用钢量比一次优化（未缩尺）更为节省。