三铰拉梁式肋环型索穹顶结构受力性能研究

按照刚性脊索穹顶结构的思路,将常规肋环型索穹顶中的脊索替换为三铰拉梁,提出了一种三铰拉梁式肋环型索穹顶结构。制作了1个直径为6 m的三铰拉梁式肋环型索穹顶结构模型,对其张拉成型过程和不同静力荷载作用下的结构响应进行了数值模拟和试验研究。结果表明:张拉成型过程中,斜索和环索的索力逐渐增大,拉梁局部变形逐渐减小,结构整体由存在较大平面外偏移的松弛状态逐渐刚化成型;竖向荷载作用下,三铰拉梁式肋环型索穹顶整体变形较小,拉梁中铰局部变形是预应力设计和位移控制的关键;结构整体为柔性空间体系,对非对称荷载作用较为敏感;卸载后,结构可以恢复初始的形状与内力,呈现弹性特征。有限元模型可以较好地模拟结构在张拉成型和加载过程中的位形和受力规律,可用于三铰拉梁式肋环型索穹顶结构的受力性能分析。     

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。     

北方学院体育馆弦支穹顶施工过程温度效应研究

结合北方学院体育馆实际工程,基于循环补偿法,提出一种既能考虑施工期间环境温度变化,又能考虑分阶段施工、临时支承状态下张拉等弦支穹顶结构预应力张拉施工全过程分析方法,采用ANSYS有限元软件进行了施工全过程分析,研究最不利温度工况下预应力张拉施工过程中索力、杆件内力和结构变形的变化情况。研究表明:不考虑温度变化影响时,环境温度变化产生的索力误差最大可达55.22%,内圈环索对温度变化敏感,温度变化对张拉控制力的取值影响最大可达417.79%,所提出的施工方案可行,具有足够的工程精度,与设计状态的索力误差低于3.73%。     

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。     

某体育中心活动屋盖的拉杆张拉与监测

金山区朱泾体育中心活动屋盖钢结构拉杆张拉工程,在拉杆分批张拉过程中,采用顺序分析法避免复杂的拉杆内力相互影响分析,并快速准确地模拟分批张拉的施工过程,得到各加载步时张拉杆的张拉控制力,作为施工依据。施工时采用临时索对结构张拉预变形后安装钢拉杆。预应力施工的监测结果与理论分析结果符合较好,表明结构在预应力施工过程中是安全的,临时索的做法是可行的,验证了理论分析的准确性。     

大跨径自锚式悬索桥吊索索力相邻影响分析

针对大跨径自锚式悬索桥吊索索力的相邻影响问题,采用模型试验与理论分析相结合的方法,研究吊索索力“相邻影响原理”所适用的结构状态, 说明部分吊索未出现相邻吊索张拉使其索力骤减的原因,分析结构体系转换对相邻吊索及其他吊索索力的影响规律,揭示吊索张拉对相邻吊索索力的削减程 度与吊索成桥索力来源之间的相互关系。结果表明：吊索索力“相邻影响原理”仅适用于结构体系转换完成后的结构状态;自锚式悬索桥采用对称张拉或单 侧张拉两种不同方案时,张拉对相邻吊索索力的削减机理及削减程度不同;在施工中,吊索张拉对其他吊索索力的影响范围与吊索初张力、主缆重力刚度等 因素相关,吊索张拉对非相邻吊索索力的影响程度均基本相同;相邻吊索索力、其他吊索索力受结构体系转换进程的影响,会出现不同的变化规律;前期张 拉的大部分吊索的成桥索力主要来源于除相邻吊索外其他吊索张拉产生的累计增长效应;后期张拉的小部分吊索的成桥索力主要来源于因吊索张拉获得的索 力。     

索长误差对索穹顶结构初始预应力分布的敏感性分析

基于ANSYS的可靠度(PDS)分析模块,针对某实际工程,采用Monte Carlo与响应面结合的方法,以每根拉索内力变化量及内力变化的平均值作为误差敏感性的判定指标,分析了索长误差同时存在时对索穹顶结构初始预应力分布的影响。研究表明,初始内力越小的索对结构整体预应力的分布影响越大,与产生误差的索联系越密切的索受索长误差的影响越大。     

预应力斜拉网格结构拉索张拉施工分析

针对连云港体育中心体育场顶篷预应力斜拉钢网格结构工程中拉索张拉力大、数目多、相互影响大、卸载后结构变形大的特点,通过ANSYS有限元分析软件对不同张拉方式进行对比分析,包括初始预应力态结构分析、张拉拉索前拆除满堂支架结构分析、满堂支架支撑网壳时虚拟张拉分析及局部拆除支架的虚拟张拉分析,掌握了预应力拉索张拉过程中索力变化和结构变形的规律,最终选取主动张拉桅杆外侧的背索,被动张拉屋面上的前索的施工方案。并对拉索的施工方案做了介绍。     

吊杆布置对拱桥破损安全性能的影响

为研究不同吊杆布置形式对拱桥破损安全性能的影响,本文采用ABAQUS有限元分析软件,针对平行双吊杆体系与斜交叉吊杆体系的拱桥,分别模拟计算了由于吊杆发生骤断而对拱桥剩余结构的瞬时冲击作用,并取得了两种体系的结构在断索冲击下的动力时程响应结果.通过动力分析,明确断索对两种体系拱桥产生的不利影响,研究吊杆骤断时拱桥的破损安全性能,以此对两种吊杆体系的破损安全性能进行比较.结果显示,斜交叉吊杆体系的破损安全性优于平行双吊杆体系.     

索穹顶张拉过程中环索滑移分析的驱动索单元法

索穹顶结构在张拉过程中一般采用分批分级张拉斜索的方式.由于索穹顶结构的环索通常采用连续布置方式,当相邻分批张拉索的内力差作用在环索节点上的分量超过环索与索夹间的最大静止摩擦力后,会引起环索与环索夹之间的滑移.由于环索往往是索穹顶结构中预应力最大的构件,其滑移会对整体结构的内力分布和位形产生严重影响.在准确计算分析的基础上优化张拉方案,控制环索滑移对整体结构的影响是索穹顶结构能否张拉成形且满足设计要求的关键问题.本文提出基于向量式有限元的驱动索单元法进行索穹顶张拉全过程模拟,分析环索滑移对结构内力和位形变化的影响.     

抗风索式张弦梁抗风性能静力试验研究

为验证抗风索有效性,探究抗风索对延迟下弦索松弛及松弛后整体刚度影响,以及抗风撑杆高度和不对称风荷载对结构抗风性能的影响规律,以拱形张弦梁结构为研究对象,进行了抗风索式张弦梁静力加载试验及相应数值分析。试验模型由跨度3 m、矢高120 mm、垂度180 mm、榀间距1 m的3榀张弦梁组成。施加节点集中荷载,采用自主设计的张弦梁抗风撑杆节点,通过改变抗风撑杆高度、抗风索索力和荷载类型等方式共设计了3种模型和9个加载工况。研究结果表明:有限元分析结果能与试验结果较好吻合,提高了抗风索的张弦梁抗风性能,抗风索的存在会改善结构的整体刚度;通过将模型倒置再静力加载方式模拟风吸力,张弦索逐渐松弛,抗风索成为主要抗风构件;抗风撑杆高度对张弦梁抗风性能影响较大,模型1对应抗风撑杆高度较为合理;张弦梁结构对非对称风荷载较为敏感,增大抗风撑杆的高度能有效提高结构的整体刚度,从而有效抵抗不对称风荷载。     

弦支穹顶结构屋盖预应力施工技术

巨型网格弦支穹顶结构常作为大跨度公共建筑屋盖的结构形式.弦支穹顶结构一般由上部的刚性网壳与下部的索撑体系组成.对于下部的索撑体系结构而言,其施工常常采用整体张拉成型的方法,其张拉方案的制定以及张拉过程中力与形的控制是施工张拉过程中的核心内容.以大连市体育馆屋盖结构为例,分析了制定张拉方案及张拉次序所应考虑的影响因素,研究了多道环索预应力张拉全过程索撑体系内力值的变化规律,同时依据数值分析结果评估了该张拉方案的可行性.     

环形张拉整体结构

在过去的六十年里,人们深入地研究了正圆柱形张拉整体结构和球形张拉整体结构,但对环形张拉整体结构的研究却很少见.本文对一种新型的环形张拉整体结构进行了初步的分析.首先介绍了这种环形张拉整体结构的拓扑,然后总结了该结构的找形步骤,并给出了一个初始预应力解析解算例,最后提出了一种以环形张拉整体结构作为环梁的新型索穹顶体系,分析了其结构性质.本文工作可为环形张拉整体结构的进一步研究和应用提供参考.     

2008奥运会羽毛球馆新型弦支穹顶预应力大跨度钢结构设计研究

2008奥运会羽毛球馆屋盖钢结构采用弦支穹顶结构体系,由上弦单层网壳、下弦环索与径向拉杆、竖向撑杆组成。在设计中建立屋盖钢结构和下部看台结构整体有限元计算模型进行结构分析。在综合考虑工程的重要性、结构几何力学特点、预应力损失、施工缺陷等多种因素的基础上,对恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度作用、地震作用等工况进行组合,分别进行结构施工阶段及结构使用阶段的内力、变形和体系稳定分析。在大量计算和分析基础上,对结构几何体系和构件进行了优化设计。在设计中运用单元逐次激活技术,模拟预应力张拉施工过程,并考虑施工临时脚手架刚度的影响进行施工模拟分析。对于索撑节点采用三维实体有限元分析方法,运用接触分析技术,计算索撑节点预应力摩擦损失,并结合施工监测,确定预应力损失值;采用非线性弹簧系统,模拟索撑节点预应力损失并研究了其对整体结构的影响。     

整体张拉式钢索膜结构抗连续倒塌分析

以整体张拉式钢索膜结构为对象,考虑材料非线性与几何非线性,建立了相应的有限元分析模型。通过敏感性分析确定了钢结构系统与索系统的关键构件。采用考虑初始状态的等效瞬时加载法对该钢索膜结构体系进行结构抗连续倒塌能力分析。结果表明:对于索系统,两侧的背索是维持结构整体性能的关键构件;由于存在备用荷载路径,中间部位的索失效后,整体结构变形较小;钢结构系统中由于下部支承结构冗余度较高,无论单根桁架柱、斜撑柱或1对斜撑柱失效后结构响应均变化不大;桁架梁的跨中下弦杆与桅杆失效后会引发结构响应较大变化,可确定其为关键构件;中间榀桁架梁跨中下弦杆与下悬索的失效不会导致结构发生连续倒塌;两侧索结构由于缺乏备用荷载路径,背索与桅杆失效会导致结构局部破坏。     

环形张拉整体结构的研究和应用

张拉整体结构是一种由连续拉索和断续压杆构成的新型结构.有关正圆柱形张拉整体结构和球形张拉整体结构的研究已被广泛开展,但另一种基本的几何拓扑形态--环形张拉整体结构却很少受到关注.提出一种新型环形张拉整体结构,对其拓扑和找形问题进行研究,采用平衡矩阵法求解该结构的自应力模态和机构位移模态.通过在索穹顶结构中引入环形张拉整体圈梁,提出一种新型索穹顶,并对初始预应力分布和结构性能进行了分析.算例结果表明该新型索穹顶是一种刚度较好且完全自支承自平衡的张拉整体结构.此研究丰富了现有张拉整体结构形式及其应用.     

世博轴索膜顶棚和阳光谷钢结构设计简介(英文)

世博轴及地下综合体工程是 2010 年上海世博会园区标志性建筑,其屋顶体系由索膜顶棚结构和阳光谷钢结构组成.分别介绍了索膜顶棚结构和阳光谷钢结构各自结构特点.对索膜结构,阐述了设计中膜材的安全系数取值、风荷载取值、膜面应力位移分析、防连续倒塌分析及地震作用的考虑等内容.文章还介绍了阳光谷钢结构的整体受力、变形特点、节点设计特点,详细分析了单杆稳定强度失效后对结构整体稳定性的影响.得出了作为大跨度柔性张拉结构的索膜顶棚和大跨度单层网壳结构的阳光谷均满足设计要求的结论.     

浅谈马鞍型双层索膜张拉钢结构安装质量控制

深圳宝安体育场钢结构工程为马鞍型双层索膜车辐式张拉结构体系，由于节点采用大量的销轴和高强螺栓连接，且钢结构作为索结构工作面，必须满足索结构定尺所要求的极高精度，而索结构张拉过程中及完成后的结构内力均非常大，对钢结构焊缝质量提出了很高的要求。文中针对该类新颖结构分析影响工程质量的各大重要环节，探讨其质量控制的核心问题。     

考虑吊杆断裂动力作用的钢管混凝土拱桥等效静力计算方法

为简化吊杆断裂后拱桥剩余结构动力响应计算过程，提升中、下承式钢管混凝土(CFST)拱桥断索时的强健性，采用动力系数考虑断索过程的动力效应，建立一种考虑断索动力作用的中、下承式CFST拱桥等效静力方法；设计并制作跨径20m的下承式CFST拱桥大比例缩尺试验模型，研发一种电磁铁断索触发装置实现了吊杆瞬间断裂模拟，开展吊杆断裂后拱桥剩余结构的动力响应试验研究；采用ANSYS/LS-DYNA软件建立可考虑吊杆断裂过程的有限元模型，并进行试验与有限元结果的对比分析。构建11种不同跨径的中、下承式CFST标准拱桥，通过不同动力系数下标准拱桥断索时静力效应与动力效应的对比分析，确定各标准拱桥在不同吊杆断裂时的动力系数取值。研究结果表明：研发的电磁铁断索触发器可实现0.1s内断索，准确模拟实际吊杆断裂过程；吊杆断裂对纵梁位移与应力的影响远大于对拱肋的影响，长吊杆断裂对纵梁和拱肋的位移与应力的影响大，次短吊杆断裂对相邻吊杆索力的影响大。采用等效静力计算方法进行中承式CFST拱桥受力分析时，纵梁和吊杆的动力系数均可取1.8,进行下承式CFST拱桥受力分析时，纵梁和吊杆的动力系数可分别取1.8和1.7。     

泰州体育公园体育场钢结构屋盖施工模拟分析

索承网格结构施工复杂，预应力索的张拉与结构相互影响，施工过程中结构变形与应力变化大，且结构体系不断发生转变，施工难度很大。文章以泰州市体育公园体育场为例，建立有限元累加模型，且考虑几何非线性因素，对索的预应力施加过程进行了详细动态分析，全面研究了施工全过程索及钢结构的力学响应，并对张拉工装及耳板等关键节点进行了有限元精细化模拟。结果表明，预应力索张拉及胎架拆除对结构影响较大，其应力及位移变化幅值均超过80%。提升工装及耳板等关键构件受力不均匀，应通过构造措施保证其强度和稳定性。基于施工仿真分析，可对钢屋盖施工方案进行优化，保证安全施工。