弦支穹顶结构的理论分析与试验研究

论文摘要

弦支穹顶结构是由上部单层网壳和下部索杆弦支系统组成的大跨预应力杂交结构,其整体稳定性能较好、施工难度相对较小,具有非常广阔的应用前景。为了进一步推动该类结构在实际工程中的应用,本文对弦支穹顶的形式与分类、形态分析、静动力性能、稳定性能、施工成型以及模型试验等内容进行了系统的研究。首先,对现有结构的形式进行了总结,对结构下部索杆系统的布置进行了改进与创新,提出了16种具体的索杆布置形式。依据结构已知状态参数的不同,提出了该结构可能存在的3大类(共11种)形态分析问题,并研究了相应的迭代求解算法与计算流程,同时还探讨了属于结构形态分析范畴内的结构预应力设计与计算模型修正等问题,并指出在弦支穹顶结构的分析计算过程中必须进行找力分析。本文对9种不同布索形式的弦支穹顶和相应单层网壳的静动力与稳定性能进行了分析对比。结果表明:下部索杆弦支系统对单层网壳结构的静力性能与稳定性能均有明显的改善作用,且可降低结构对支座径向约束刚度的敏感性;在索杆圈数不变的情况下,斜索的不同布置方式对结构静力性能与稳定性能的影响较小;下部索杆或部分索杆采用肋环型布置时,索杆部分会发生局部振动。该研究为索杆布置方式的选择提供了理论依据。本文研究了初始几何缺陷的分布形式与大小对结构稳定性能的影响。建议在利用一致缺陷模态法对结构进行稳定性分析时,可采用结构的最低阶反对称屈曲模态作为初始几何缺陷的分布模态,缺陷的大小宜在1/500～1/300跨度之间取值。当结构下部索杆在零状态时所需的虚拟内力确定后,各单元在初始态与零状态下的单元长度即可确定,本文依据这一原则提出了弦支穹顶结构的正向施工模拟计算法,应用这种方法可对结构的各种施工方案进行模拟计算。同时对施工过程中出现的撑杆倾斜、张拉摩擦力以及零状态下结构几何构形的选取等问题进行了详细的分析,并指出应首选斜索张拉成型。最后,以一实际弦支穹顶工程为背景,制作了跨度为8m的缩尺模型,并进行了6种张拉成型方案的成型试验、3种荷载工况的静力性能试验以及两种情况下的自振特性测试。通过静动力性能试验验证了理论分析的准确性,得出了在设计时应以半跨荷载作为结构的控制荷载,且在施工中应避免过大的局部堆载情况发生的结论;张拉成型试验验证了利用本文提出的施工成型模拟法可对结构的施工过程进行准确的模拟,同时验证了结构在张拉过程中静力响应基本符合线性叠加原理的特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 空间结构概述
• 1.2 弦支穹顶结构的发展历史及工程应用
• 1.3 国内外的研究现状
• 1.3.1 弦支穹顶结构的静力性能分析
• 1.3.2 弦支穹顶结构的预应力设计与优化分析
• 1.3.3 弦支穹顶结构的施工张拉
• 1.4 论文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 弦支穹顶结构的形式与分类
• 2.1 引言
• 2.2 弦支穹顶结构的分类与创新
• 参考文献
• 第三章 弦支穹顶结构的形态分析
• 3.1 引言
• 3.2 形态分析问题的分类
• 3.2.1 找力问题分析
• 3.2.2 找形问题分析
• 3.2.3 找力+找形问题分析
• 3.3 算例分析
• 3.3.1 找力分析
• 3.3.2 找形分析
• 3.3.3 找力+找形分析
• 3.4 找力分析的简捷计算方法
• 3.5 弦支穹顶结构下部索杆的预应力设计
• 3.5.1 形态分析理论在预应力设计方面的应用
• 3.5.2 弦支穹顶结构下部索杆预应力分布的确定
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 弦支穹顶结构的静动力特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 计算理论
• 4.2.1 梁单元
• 4.2.2 索单元
• 4.2.3 杆单元
• 4.3 弦支穹顶结构的静力性能分析
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 预应力设计
• 4.3.3 满跨荷载作用下结构的静力响应
• 4.3.4 预应力分布对结构静力响应的影响
• 4.3.5 支座径向约束刚度对结构静力响应的影响
• 4.4 线性叠加原理的验证与应用
• 4.5 弦支穹顶结构的动力特性分析
• 4.5.1 不同布索形式下弦支穹顶结构的自振特性
• 4.5.2 不同预应力水平下弦支穹顶结构的自振特性
• 4.5.3 不同支座径向约束刚度下弦支穹顶结构的自振特性
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 弦支穹顶结构的稳定性分析
• 5.1 引言
• 5.2 计算理论
• 5.3 布索方式对弦支穹顶结构稳定性能的影响
• 5.4 初始几何缺陷对结构稳定性能的影响
• 5.4.1 初始几何缺陷分布方式对结构稳定性能的影响
• 5.4.1.1 单层网壳
• 5.4.1.2 肋环3型弦支穹顶
• 5.4.1.3 肋环2-葵花1型弦支穹顶
• 5.4.1.4 葵花3型弦支穹顶
• 5.4.1.5 肋环2型弦支穹顶
• 5.4.2 初始几何缺陷大小对结构稳定性能的影响
• 5.5 随机缺陷模态法在稳定性能计算中的应用
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 弦支穹顶结构的施工张拉成型分析与模拟
• 6.1 引言
• 6.2 施工模拟的理论方法
• 6.3 施工张拉成型方法概述
• 6.4 弦支穹顶结构的正向施工模拟计算法
• 算例1、斜索张拉成型
• 算例2、撑杆顶升成型
• 算例3、环索张拉成型
• 6.5 施工中保证撑杆竖直的技术措施
• 6.5.1 混合张拉法
• 算例4、混合张拉成型
• 6.5.2 下料长度考虑虚拟内力的张拉成型法
• 6.6 先找形后张拉
• 6.6.1 仅对下部索杆系统进行找形分析
• 6.6.2 对整个结构进行找形分析
• 6.6.3 已知结构几何构形作为结构不同状态下几何构形的张拉结果分析
• 6.7 施工中环索贯通时摩擦问题的分析
• 6.7.1 摩擦问题的概述
• 6.7.2 摩擦问题的计算方法
• 6.7.3 算例分析
• 算例5、葵花1型
• 算例6、肋环1型
• 6.8 施工控制
• 6.9 本章小结
• 参考文献
• 第七章 弦支穹顶结构模型试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 模型设计
• 7.2.1 支承平台设计
• 7.2.2 弦支穹顶设计
• 7.2.2.1 各参数相似比的确定
• 7.2.2.2 构件截面设计
• 7.2.2.3 网壳设计与制作
• 7.2.2.4 下部索杆设计
• 7.2.2.5 节点设计
• 7.2.2.6 结构下部索杆预应力设计
• 7.3 试验前期准备
• 7.3.1 测量系统
• 7.3.2 测点布置
• 7.3.3 材料特性测试
• 7.4 计算模型的修正
• 7.5 模型结构的张拉成型试验
• 7.5.1 张拉方案1—环索张拉
• 7.5.2 张拉方案2—1根斜索张拉
• 7.5.3 张拉方案3—3根斜索张拉
• 7.5.4 张拉方案4—6根斜索张拉（1）
• 7.5.5 张拉方案5—6根斜索张拉（2）
• 7.5.6 张拉方案6—6根斜索张拉（3）
• 7.5.7 斜索张拉成型方案试验结果分析
• 7.6 线性叠加原理的试验验证
• 7.7 三种荷载工况下的加载试验
• 7.7.1 结构加载前的计算模型修正
• 7.7.2 全跨加载试验
• 7.7.3 半跨加载试验
• 7.7.4 四分之一跨加载试验
• 7.8 结构的基本动力特性试验
• 7.9 本章小结
• 参考文献
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表和录用的论文