一种新型预应力索-拱结构的弹性稳定性能研究

本文所介绍的索-拱结构,是在圆弧或椭圆形拱轴线上,按照拱在重力荷载作用下的弯矩变化图设置撑杆和拉索（或预应力拉索）,以改善拱轴线上不均匀分布弯矩,达到提高纯拱结构刚度及稳定承载力的目的.利用弧长法对这种索-拱结构在全跨均布荷载和半跨均布荷载作用下的面内稳定性能进行了弹性大挠度跟踪分析,揭示了它的受力特性和破坏机理;同时文中还分析了矢跨比和撑杆高度的变化对索-拱结构受力性能的影响.     

内凹式索拱结构极限承载力研究

采用考虑双重非线性的有限元方法对内凹式索拱结构的极限承载力进行了参数研究。主要分析了5种荷载形式下支座形式、拱矢跨比、索矢跨比、撑杆数量、拱截面、索截面、初始张拉力和初始缺陷等参数对内凹式索拱结构承载力的影响;并与仅考虑几何非线性的结果进行了对比。分析结果表明:支座形式、矢跨比、撑杆数量、拱截面等因素对结构承载力影响较大;索截面、初始张拉力和初始缺陷等对结构承载力影响较小;其合理的取值范围为:拱矢跨比取0.125~0.20,索矢跨比取0.05~0.10,索截面积取拱截面积的4%~6%,与拱结构相比,该结构的整体稳定性、极限承载力、整体刚度都大幅度提高,对缺陷的敏感度减低;半跨荷载是结构设计的控制荷载,给出了快速确定初始张拉力的简化计算公式。     

全局布索预应力钢框架预应力参数的试验研究

基于全局布索预应力钢框架的结构形式,设计两榀缩尺模型进行设计荷载条件下的静力试验,以分析不同拉索截面面积、预拉力对钢框架的影响。通过试验可知,随着索支索预拉力的增加,增大了索支撑杆对钢框架的顶推力,随着隅撑索预拉力的增加,增大了隅撑撑杆对钢框架的拖曳力。不同索截面面积的拉索初始预拉力在相同预应力的情况下对钢框架各截面产生的弯矩和扰度与其各自的索截面面积有关,且按其变化倍数增加。随着两索索截面面积的增加,在竖向荷载下使钢框架各截面弯矩扰度的增长率不断下降,且存在增长率下降幅度的峰值,其对应的索截面面积可认为是最经济的索截面面积,水平荷载下,索截面面积变化对钢框架各截面弯矩变形的增长率影响较小。     

大跨度煤场封闭结构预应力体系研究

针对顶部曲线较平缓的大跨度拱形钢结构,通过设置可抵抗拱方向荷载的张弦索和可抵抗反拱方向风吸力的斜索,形成了预应力张弦索-斜索钢桁架结构体系,同时改善了拱形结构体系在不同方向荷载作用下的受力性能。采用有限元分析与实际工程设计相结合方式,以西来峰煤化工分公司焦化厂二期储煤场封闭项目为例,对非预应力钢桁架结构体系、预应力张弦钢桁架结构体系、预应力张弦索-斜索钢桁架结构体系方案进行了体系选型研究。对上述3种结构体系的支座反力、主拱桁架弦杆轴力、结构竖向变形等方面进行对比分析,证明了张弦索-斜索钢桁架结构体系的优越性,同时针对预应力张弦索-斜索钢桁架结构体系进行了布索方案分析,分析改变张弦索和斜索锚固端位置对结构弦杆受力及变形的影响,得出了张弦索布索范围覆盖拱架上弦受压区、锚固端位置接近拱架曲率最大处时,斜索上锚固端在拱架跨度的35%~40%位置时,对结构最有利;另外对张弦索、斜索的初拉力取值进行了方案比选,得到了拉索初拉力取值对结构杆件内力的影响规律,确定了张弦索、斜索初拉力取值均为1000kN较为合理。     

全跨荷载作用下内凹式索拱结构受力过程中刚度的变化

针对现有关于全跨荷载作用下内凹式索拱结构受力过程中整体刚度变化规律研究较为缺乏的不足,采用试验验证和有限元分析的方法对其进行深入分析。首先介绍内凹式索拱结构整体刚度的计算原则,然后依据该原则对已完成的模型试验数据进行分析。在此基础上,通过改变某一典型实例中拱和索的矢跨比、截面以及结构初始缺陷等参数,建立不同参数下考虑双重非线性的有限元分析模型,并完成相应的分析工作,证实该类结构的初始刚度主要取决于上弦拱的矢跨比和截面,而受下弦索的影响较小。模型试验和有限元分析结果均表明,当拱索矢跨比差值约小于0.055时,全跨荷载作用下该类结构荷载-位移曲线的弹性段部分将具有较明显的非线性特征。     

吉林省速滑馆悬索-拱屋盖结构设计

吉林省速滑馆是2007年第六届亚冬会的主场馆,其屋盖是一个预张力悬索-拱体系,悬索跨度近95m,悬索与拱梁之间设置“之”字状的吊索。悬索水平拉力的平衡体系由桅杆外侧的背拉索、接地索、水平撑杆、斜撑杆或屋顶锚固索组成。这种组合结合了悬索结构和拱结构的优点,悬索增加了拱的平面内稳定性能,同时减小了拱脚水平推力;拱提高了悬索的面内刚度,有效减小荷载作用下特别是非对称荷载作用下的结构变形。介绍了该体系的结构特点、初始预张力确定、动力特性、荷载作用下的力学性能,以及主要节点构造等。     

一次张拉V形腹杆内凹式索拱结构稳定承载力参数分析

稳定承载力是索拱结构分析和设计的主要内容之一。为了得到一次张拉V形腹杆内凹式索拱结构各主要参数对其稳定承载力的影响规律,利用ANSYS建立了索拱结构的有限元模型,采用考虑初始几何缺陷和双重非线性的全过程分析方法对其进行了静力稳定性参数分析。得到了支座水平刚度、腹杆数量、矢跨比、拱截面、索截面、腹杆截面和拉索初始预应力对该索拱结构静力稳定承载力的影响规律,可为该种类型索拱结构的工程设计提供参考。     

新型索-拱结构的平面内弹性稳定性能研究

所研究的索-拱结构,是在圆弧形拱轴线上,按照拱平面投影n等分处设置放射状索,以改善拱轴线上不均匀弯矩分布,达到提高纯拱结构稳定极限承载力的目的。利用牛顿-拉普森法和弧长法对这种索-拱结构在全跨均布荷载和全跨恒载+半跨活载作用下进行了完善和带缺陷结构的弹性大挠度跟踪分析,研究了索对两种荷载形式下结构的极限荷载和平衡路径的影响;提出的索-拱结构能显著地提高拱的极限承载能力并能有效地防止结构二次分岔失稳的发生,计算结果对索-拱的设计有参考价值。     

新型落地索拱结构及其力学性能分析

提出了一种新型落地索拱结构,相比于其他类型索拱结构,该结构可以保持较高的室内净空,建筑使用功能和建筑效果较好。建立了跨度60 m,矢跨比分别为0.2、0.3和0.4的纯拱和索拱结构的力学模型,对比了不同矢跨比下纯拱和索拱模型的承载力、刚度、动力特性和稳定性等力学性能指标及用钢量。结果表明：该新型索拱结构可以有效降低拱结...     

非节点集中荷载作用下索拱结构实例分析

索拱结构是大变形组合结构。本文对索拱结构在非节点集中荷载作用下的受力进行分析 ,并得出非节点集中荷载作用下 ,两节点间做成折线形拱比直线形拱受力性能好。     

张弦桁架设计若干问题讨论

对张弦桁架设计过程中的若干问题进行了讨论。增加张弦桁架的矢高或垂距可减小结构跨中的挠度及弯矩,但增加矢高会加大结构支座处的水平反力,加大风荷载作用下结构表面的风载体型系数,减小预拉力作用下结构跨中的反拱值及反向弯矩,建议在设计时首先考虑使用增加垂距的方法来改善张弦桁架的受力性能。在反对称荷载作用下,张弦桁架中的拉索及撑杆无法为桁架提供有效支承,对有可能遭遇反对称荷载作用的张弦桁架应重视结构在该工况下的分析设计。张弦桁架传力路径较为单一,杆件的屈服有可能致使结构实际的失稳情形与弹性稳定分析结果不符,对该类结构进行弹塑性稳定分析是有必要的。将张弦桁架中的拉索设计成并行双索的形式将有助于提高结构的抗连续倒塌能力。     

大跨度预应力拱桁架煤棚布索方案研究

针对大跨度预应力拱桁架煤棚,提出3种布索方案,对这3种方案下的预应力拱桁架进行静力及稳定性分析,分别从结构的用钢量、索初始预拉力、杆件内力分布、位移、水平支反力、以及结构稳定性这6个方面与未布索拱桁架作综合对比。结果表明:3种布索方案与未布索拱桁架相比,能有效降低结构内力峰值,使结构的内力分布更加合理,提升结构的刚度,降低结构的支座反力,提高结构的稳定性。布索方案3(V字撑内凹式索拱桁架结构)各受力性能指标与未布索拱桁架相比提升最明显,是最优方案,但对于储煤结构的应用而言,也应同时考虑施工难易情况。     

新广州站内凹式索拱结构模型静力试验研究

新广州站站房屋盖采用一种新型预应力索拱-内凹式索拱结构,为了解该种结构的张拉成形过程、典型荷载工况下结构性能和结构极限承载力及破坏位置,分张拉成形、4种荷载工况的加载及2种典型荷载工况的极限加载3个阶段,对2榀内凹式索拱的1/3缩尺模型进行了静力试验,并将试验结果与有限元结果进行对比,有限元结果和试验值吻合较好。研究结果表明：张拉成形后索力和位形基本达到目标,确立的张拉原则可行,给出了快速确定初始张拉力的计算公式;设计工况下结构处于线弹性阶段,满跨分布荷载时主拱全截面受压,以受轴压力为主,而半跨分布荷载时以受弯为主,弯曲应力在主拱应力中的比重较大;半跨分布荷载对结构整体稳定最不利,其极限承载力较满跨分布荷载降低较大,前者在主拱弯矩最大的位置破坏,而后者在轴压力最大的拱脚附近破坏;索夹的连接形式及支座的抗推刚度对结构的承载能力影响很大。图13表4参10     

竖向荷载和水平荷载共同作用下钢管拱平面内稳定承载力设计研究

采用二阶弹塑性有限单元法对竖向荷载和水平荷载共同作用下的圆形截面两铰抛物线钢管拱的平面内稳定承载力进行研究。考虑材料非线性、残余应力、初始几何缺陷、矢跨比和长细比等因素对钢管拱平面内力稳定承载力的影响。结果表明：残余应力对其竖向承载力影响很小;初始几何缺陷会显著降低中等长细比钢管拱的承载力;矢跨比和长细比是影响钢管拱承载力的重要因素,但拱的竖向承载力并不随矢跨比和长细比的均匀变化而变化。研究竖向荷载和水平荷载共同作用下两铰抛物线钢管拱达到平面内极限状态时的N-M相关关系,并拟合两铰压弯抛物线钢拱承载力N-M相关关系统一表达式。提出了竖向荷载为全跨均布和半跨均布荷载,同时考虑水平方向荷载作用的两铰抛物线钢拱平面内整体稳定承载力设计建议,可供相关设计问题参考应用。     

Levy型劲性支撑穹顶静力性能试验研究

为研究Levy型劲性支撑穹顶结构的静力性能,以跨度6m的Levy型劲性支撑穹顶结构实际模型为研究对象,通过试验研究了其在初始预应力、满跨荷载和半跨荷载作用下的静力性能,获得了Levy型劲性支撑穹顶结构模型中各杆件内力和节点位移随外荷载增加变化规律。研究结果表明：在满跨荷载作用下,随着荷载的增大,环杆、撑杆和斜杆轴力都逐渐增大,脊索索力逐渐减小;在半跨荷载作用下,随着荷载的增大,结构内部杆件内力变化平稳,结构受荷一侧各杆件内力变化规律与全跨荷载作用下变化规律基本相同,但各杆件内力的变化值较全跨荷载作用大,结构对非对称荷载比较敏感,结构非受荷一侧内力变化比较复杂,脊索索力减小,撑杆和环索内力减小,内、中斜杆内力减小,外斜杆内力基本不变,半跨荷载引起的节点竖向位移比满跨荷载引起的竖向位移大,但整体结构位移均较小,竖向刚度较大,表明用劲性钢拉杆代替索穹顶下层拉索构件是可行的。研究结果验证了劲性支撑穹顶结构合理性与可行性,可为工程应用提供参考。     

Levy型劲性支撑穹顶静力性能试验研究

为研究Levy型劲性支撑穹顶结构的静力性能,以跨度6 m的Levy型劲性支撑穹顶结构实际模型为研究对象,通过试验研究了其在初始预应力、满跨荷载和半跨荷载作用下的静力性能,获得了Levy型劲性支撑穹顶结构模型中各杆件内力和节点位移随外荷载增加变化规律。研究结果表明:在满跨荷载作用下,随着荷载的增大,环杆、撑杆和斜杆轴力都逐渐增大,脊索索力逐渐减小;在半跨荷载作用下,随着荷载的增大,结构内部杆件内力变化平稳,结构受荷一侧各杆件内力变化规律与全跨荷载作用下变化规律基本相同,但各杆件内力的变化值较全跨荷载作用大,结构对非对称荷载比较敏感,结构非受荷一侧内力变化比较复杂,脊索索力减小,撑杆和环索内力减小,内、中斜杆内力减小,外斜杆内力基本不变,半跨荷载引起的节点竖向位移比满跨荷载引起的竖向位移大,但整体结构位移均较小,竖向刚度较大,表明用劲性钢拉杆代替索穹顶下层拉索构件是可行的。研究结果验证了劲性支撑穹顶结构合理性与可行性,可为工程应用提供参考。     

椭圆平面弦支穹顶静力性能研究

对上部单层网壳为联方型的椭圆平面弦支穹顶网壳的静力性能进行了计算分析。研究了径向索和环索截面、预应力、布索方式、撑杆长度、矢跨比和截面离心率对结构静力性能的影响,将部分计算结果与试验进行了分析。研究表明,在满足一定条件时,采用较长的撑杆、增大环索面积、提高预应力都能减小结构的竖向位移,改善结构的静力性能。     

旋转圆弧曲面索穹顶的预应力态分析和力学性能

提出一种母线为任意圆弧线的大矢跨比旋转圆弧曲面索穹顶的新形式.首先基于节点平衡原理，推导了旋转圆弧曲面索穹顶结构的索杆内力计算公式.然后研究了不同矢跨比与圆弧线矢长比对旋转圆弧曲面索穹顶结构预应力分布的影响，以了解结构预应力的分布规律和特性.最后，通过结构重力态的预应力损失分析、荷载态的极限承载力分析、荷载工况组合分析、几何参数对比分析以及模态分析，研究了旋转圆弧曲面索穹顶结构的静力性能与基本动力特性.结果表明，结构的刚度对厚跨比较矢跨比更为敏感、对矢跨比较圆弧线矢长比更为敏感，且半跨荷载较全跨荷载对结构更为不利.本文研究为索穹顶的分析计算、设计和造型提供了新形式和新思路.     

一种适用于非圆形建筑平面的新型球面弦支穹顶结构静力性能研究

现有球面弦支穹顶结构主要适用于平面投影为标准圆形的建筑,其结构周圈的支座位于同一标高。当建筑要求的平面为多边形或者由多段不同直径圆弧构成的不规则曲线形状时,现有常规的球面弦支穹顶布置形式无法满足该类建筑的需求。为研究球面弦支穹顶在平面投影为多边形或多段圆弧构成的非标准圆形建筑中的适用性,介绍了一种新型球面弦支穹顶结构体系,该体系适用于非圆建筑平面,通过采用位于不同标高内的支座将受力性能较好的球面弦支穹顶结构应用到平面投影不规则的建筑中。其平面投影轮廓轴线由八段圆弧组成,长轴尺寸89.89 m,短轴尺寸82.674 m,短轴方向矢高4.104 m,长轴方向矢高4.876 m。上层单层网壳采用K8+联方型网格布置,共设置了五道环索和撑杆。研究了矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度等参数变化对该新型弦支穹顶结构的结构位移、杆件内力和支座反力等静力性能的影响规律。研究结果表明:1)随着短轴矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大,新型球面弦支穹顶结构最大竖向位移减小。2)网壳最大轴力随着撑杆长度、环索初拉力、环索截面积和支座水平刚度的增大而减小,不随短轴矢跨比变化。撑杆内力和环索内力随着短轴矢跨比和支座水平刚度的增大而减小,随着环索初拉力的增大而增大,随着撑杆长度和环索截面积变化复杂。环索节点不平衡力随着短轴矢跨比、撑杆长度和支座水平刚度的增大而减小,随着环索初拉力和环索截面积的增大而增大。3)随着短轴矢跨比增大,支座水平反力基本不变,而支座竖向反力减小;随着撑杆长度和环索截面积的增加,支座水平反力减小,而支座竖向反力增加;随着环索初拉力的增大,支座水平反力、支座竖向反力值减小;随着支座水平刚度的增大,支座水平反力增大,而支座竖向反力减小。     

菱形双曲抛物面索-拱体系的静力性能和参数分析

探讨了菱形双曲抛物面索＿拱体系中索预拉力、索与拱的曲率、拱竖向抗弯刚度、索与拱轴向刚度比等主要设计参数对体系静力性能的影响规律。通过对大量索－拱体系的参数分析,找出了影响索－拱体系工作性能的主要因素,并给出了较优的参数建议。