杭州世纪中心西天窗索夹抗滑移试验研究

索夹是预应力索结构中拉索与其他构件连接的重要节点构件,若索夹和拉索之间发生滑移,会产生较大的预应力损失,甚至改变结构的受力性能。杭州世纪中心西天窗采用箱形桁架+钢索结构,其结构特殊性决定了拉索在施工张拉和施工完成后的状态不同,即施工张拉时要求拉索对索夹是可相对滑移的,而施工完成后需要锁定拉索和索夹的相对位置,不允许发生滑移。通过拉索施工张拉、高强螺栓紧固力衰减、索夹顶推三个阶段的全过程模拟试验确定了索夹与拉索之间的摩擦力情况。试验结果表明,在拉索施工张拉阶段,索夹对索体产生的摩擦力较小,通过锌板垫层能够有效降低铸钢索夹节点处的摩擦损失,保证拉索张拉过程中索力的有效传递;高强螺栓终拧后12h内会产生不可忽视的紧固力损失;使用阶段索夹的抗滑移承载能力能够确保索夹节点安全。

西安国际文化传播中心大跨斜幕墙支承结构设计

西安国际文化传播中心大跨斜幕墙支承采用竖向张弦桁架结构体系,结构造型独特新颖。对其结构选型和受力特点进行了重点介绍。采用MIDAS Gen软件建立有限元模型,进行非线性静力及抗震分析计算,同时采用ANSYS软件对考虑几何与材料双重非线性的结构整体稳定性进行了详细分析,探讨了安全系数取值等。分析结果及实际使用效果表明,幕墙支承满足正常使用的各项要求,并具有良好的抗震性能。

交替提升与张拉的索穹顶结构施工优化方法

为确保索穹顶结构施工成型前索杆内力的平稳变化,提出了交替提升内拉环与张拉最外圈斜索的施工优化方法.首先,以施工过程中的平均结构应变能最小为优化目标,对内拉环的逐级提升高度进行优化;其次,通过仿真分析得到施工过程中的索杆内力和节点位移,并与仅张拉最外圈斜索的施工方法进行对比.结果表明:交替提升内拉环与张拉最外圈斜索的施工优化方法可有效减小施工过程中的索杆内力,降幅最大达61.83%,避免了施工成型前索杆内力的大幅波动,且结构位形变化较平缓,相邻施工步的竖向位移差最大为1.43 m,平均结构应变能较低,仅为55.03%,优化效果显著,验证了该优化方法对索穹顶结构施工模拟的适用性.

冲击荷载作用下Levy型索穹顶结构动力响应分析

建立Levy型索穹顶结构有限元分析模型,给出有限元结果合理性的判定准则,提出冲击失效准则。进行大量冲击工况下的动力响应全过程分析,给出杆件破坏分布规律和失效模式,揭示结构在竖向冲击荷载作用下的失效机理。依据冲击失效机理及参数分析,提出抗冲击措施。研究结果表明:所有冲击工况均符合冲击判定准则,在所选竖向冲击荷载范围内,Levy型索穹顶结构的失效模式可分为4种,即结构轻度损伤、结构局部1级失效、结构局部2级失效和结构整体破坏。随着冲击动能的增加,结构的动力响应模式逐渐呈模式1→模式2→模式3→模式4的发展趋势。通过分析可知,结构的动力响应模式由结构的能量吸收值及构件两端速度差决定。

预应力耗能钢框架抗连续倒塌机制研究

针对预应力耗能(PTED)钢框架结构的连续倒塌问题,采用ABAQUS软件建立精细化有限元模型,对框架结构拆除承重构件后不平衡荷载重分配的行为展开研究。并将有限元结果与1/3缩尺PTED钢框架的准静态试验结果进行对比分析,验证了模型的准确性。在此基础上,进一步开展了PTED钢框架抗连续倒塌受力机制的研究,并分析了初始预应力、预应力钢绞线数量、钢构件材料强度和梁翼缘宽厚比四种因素对钢框架抗连续倒塌机制的影响。结果表明:PTED钢框架抗连续倒塌过程主要包括三个阶段:初始阶段、压拱机制有利阶段和压拱机制不利阶段;倒塌抗力由预应力钢绞线拉力和梁柱之间的竖向作用力共同提供;提高初始预应力、预应力钢绞线数量、钢材屈服强度和降低梁翼缘宽厚比,均会使峰值荷载增大;钢绞线数量的增多使框架在失效柱位移较小时可以提供较大的抗力;增强梁柱构件抵抗局部屈曲变形的能力会提升预应力钢框架抗连续倒塌能力。

兰州奥体综合馆弦支穹顶结构模型预应力张拉试验研究及模拟分析

为了研究弦支穹顶结构预应力的分布特性,基于兰州奥体综合馆弦支穹顶屋盖按照1∶20制作了缩尺模型,对该模型分3级进行预应力施工张拉试验,测试了2种不同张拉顺序下模型的杆件内力及节点竖向位移变化规律,并将试验结果和MIDAS Gen数值模拟结果进行了对比分析。研究表明:对于肋环型小矢跨比弦支穹顶结构,在张拉时环索相互影响较大,张拉初期环索内力变化更明显;张拉过程中预应力的施加对环杆的影响大于对径杆的影响,最外圈环杆在张拉过程中承力占比最大,节点竖向位移在第4圈达到最大;不同张拉顺序会改变外圈杆件内力及节点位移变化趋势,从外到内分级循环张拉下部索对结构更有利。

我国建筑索结构的发展与工程实践

索结构已经成为现代大跨度建筑结构的首选体系之一。梳理了七十年以来我国索结构的发展历程,将其分为起步、缓慢发展和快速发展三个阶段,并对每个阶段进行了详细分类和阐述。对建筑索结构中的拉索构件和节点构件进行了归纳和总结,系统地列举了各类构件的主要形式。此外,综述了悬索结构、索膜结构、张弦(弦支)结构及索穹顶结构等典型结构形式的特点、受力机理及代表性工程,进一步展示了索结构在实际工程中的广泛应用和显著优势。这些结构形式不仅体现了索结构的创新性和灵活性,也证明了其在满足大跨度建筑需求方面的卓越性能。在可持续绿色发展的要求下,随着科技的不断进步,索结构在建筑领域的应用前景愈发广阔。我国的索结构将继续在大跨度建筑领域中扮演重要角色,为实现更加高效、环保和创新的建筑设计提供有力支持。

带悬臂的张弦梁拉索-支座节点力学性能研究

为得到带悬臂的张弦梁拉索-支座复杂节点在不同工况下的力学性能变化规律,以及在设计荷载组合下的破坏模式,结合某大跨度张弦梁实际工程,通过建立多尺度有限元模型以及现场试验的方法研究了该节点在张拉过程中的应力、应变分布特征;通过局部节点有限元分析得到了节点的极限承载能力及破坏模式;并针对其受力特征对节点构造及壁厚进行优化。结果表明在施工及使用阶段,该节点应力均处于弹性范围内,满足力学性能要求;节点的破坏荷载约为设计荷载组合的3.2倍,破坏模式为耳板上拉索孔区域受拉破坏;优化后节点的应力分布更加均匀且合理,承载能力提高。

考虑预应力松弛的张拉整体机械臂可靠性分析

柔性张拉整体结构可应用于桥梁、机械臂和深空探测等多种工程场景。以张拉整体机械臂为例,应力松弛导致的绳索预应力水平下降可能带来驱动变形响应的不确定性,从而造成结构功能失效。因此,研究绳索预应力松弛不确定性在张拉整体结构中的传播对机械臂作动位移的定量控制十分必要。然而,张拉整体机械臂可能包含数十甚至上百根绳索,采用Monte Carlo方法对设计变量进行随机抽样时将面临“维度灾难”。通过对机械臂工作服役时间引入概率模型,并结合独立同分布假设,该文从钢索预应力设计规范出发,将随机发生的预应力松弛引入了基于共旋坐标法的结构可靠性分析。该文采用基于最小角回归的稀疏混沌多项式展开(polynomial chaos expansion,PCE)方法,对张拉整体机械臂作动位移进行不确定性传播分析,实现了对结构响应概率密度分布的快速预测。针对该文研究的12杆、36绳结构,稀疏PCE方法在仅使用500次有限元模拟结果作为训练数据的情况下便能获得足够高的预测精度,很好地解决了“维度灾难”问题,提高了分析效率。在此基础上,对设计变量进行灵敏度分析,准确找出对机械臂作动位移影响最大的绳索。研究结果表明,只需对该绳索进行材料选型改进,便能够大幅提高机械臂的长时作动可靠度。该文方法可应用于张拉整体机械臂的动力学问题不确定性量化及可靠性结构优化设计。

十堰某体育馆106m跨内凹弦支穹顶结构设计关键问题研究

十堰某体育馆主体结构采用框架-剪力墙结构体系,上部106m大跨内凹形屋盖采用弦支穹顶结构体系。为了满足建筑简洁性及结构合理性需求,对屋盖进行了四角锥网架、弦支穹顶及网架-弦支穹顶组合的不同结构形式对比,最终选用结构轻巧、经济性好的弦支穹顶结构体系。结合弦支穹顶结构自身的受力特点以及其对下部结构的不利影响,对弦支穹顶结构上下弦布置、扭转刚度、支座约束条件、撑杆高度等进行了优化。对弦支穹顶断索情况下的响应、不同工况下的支座位移以及拉索低应力状态下的刚度退化进行了验算。结果表明,优化后的屋盖结构满足结构安全、适用性的要求,同时也有较高的冗余度。

十二杆张拉整体结构动态分析及路径规划研究

张拉整体因其区别于传统结构的特点在土木和可动结构领域有广泛的发展前景,目前学者对于多步态或更复杂的球形张拉整体研究较少,且一些传统路径规划方法不适用于多面体张拉整体结构.因此,本文采用几何方法找寻了一种多步态的十二杆球形张拉整体结构(Snub-12)的合理构型,并用找形方法进行了验证.定义并分析了Snub-12的多种基本步态和各步态形成的理论路径空间,并将其与单步态的6杆球形张拉整体结构(TR-6)进行对比,明确了两种结构运动的特点和区别.对快速搜索随机树算法进行改进并利用其产生引导路径,结合Snub-12步态组合的情况,生成适合不同场景的合理运动路径,最后通过仿真分析验证了方法的可行性和有效性.分析结果表明:同等条件下,不论是路径空间中盲区占比还是独立滚动步态的翻滚步长,Snub-12均优于TR-6,更适宜开展长距离运动.基于引导策略的路径规划方法可以解决多步态张拉整体结构的路径规划问题,这丰富了球形张拉整体结构的运动理论,可以为该类球形张拉整体可动结构的实际应用提供了理论支撑.

超大跨度张弦结构多索索夹偏心节点设计及有限元分析

对于超大跨度张弦结构,其撑杆下端的索夹节点是影响张弦结构成型的关键因素。由于外圈环向索的受力较大,超大直径拉索的捻制成型工艺尚未成熟,外圈环向索需采取并排多索的形式才能满足其受力要求,索夹节点相连构件数量多且受力大。基于贵阳奥林匹克体育中心(二期)主体育馆项目大跨度弦支穹顶结构,分析多索索夹节点的设计重难点,通过综合对比多种索槽布置方式,提出适用于超大跨度张弦结构的多索索夹偏心节点,并对该偏心节点进行整体受力和节点有限元分析。结果表明,多索索夹偏心节点对结构索力分布影响较小;该偏心节点设计符合计算假定,具有较高的承载力和抗滑移能力,有效解决了多索索夹节点连接、索夹安装及拉索更换等问题。

大曲率巨型钢桁架的结构安全监测平台与施工监测研究

由于复杂建筑结构的施工难度大且不确定性高,开展结构施工监测对整体的安全稳定至关重要。基于BIM和Web技术研发了对巨型钢桁架结构进行施工监测的结构安全监测平台,并对监测平台的总体设计思路及各项功能进行了详细的说明。根据监测数据的概率分布特征,利用高斯混合模型确定监测预警值以开展结构安全预警。该安全监测平台跟踪了钢桁架卸载施工全过程的形态和内力变化情况,建立了钢桁架的精细化模型以模拟卸载施工的全过程,并对比分析了实测结果和计算结果。研究结果表明:钢桁架z向位移均未超过跨度的1/400,构件应力比的最大值未超过0.4,说明了卸载施工的安全性较高;施工阶段的实测应力和位移的相对误差不超过10%,反映了数值模型对于卸载施工模拟的可靠性和有效性;所研发的监测平台获得了卸载全过程的结构响应变化规律,可为结构状态评估提供可靠的数据支撑。

钻石型轮辐结构构型与受力性能研究

本文给出了钻石型轮辐结构的构型规则,并对其预应力态和张拉成形方法进行了探讨.通过1∶15缩尺模型试验,考察钻石型轮辐结构施工张拉成型的可行性,检验屋盖结构的受力性能,验证数值模拟方法与试验结果的一致性.研究钻石型轮辐结构成形态的动力特性以及在活荷载、风荷载和温度作用下的结构变形和构件内力以及断索对结构性能的影响,重点考察中间撑杆高度变化对结构受力性能的影响.缩尺模型试验结果表明,提升下径索所需张拉设备数量较少,施工方便;对于结构的成形态和静力加载工况,实测与数值模拟得到的内环节点标高、索力、结构变形具有较好的一致性.有限元分析结果表明,中间撑杆高度对结构动力特性、构件内力和结构变形的影响较为显著.在结构的成形态,随着中间撑杆高度增大,上径索索力随之加大,内环撑杆由受压变为受拉,中间撑杆的压力迅速增大.大跨度轮辐结构刚度较小,设置中间撑杆后,有利于提高结构的竖向刚度,减小在竖向荷载、特别是在风荷载作用下的变形.此外,半跨荷载作用下结构的竖向变形大于满跨荷载,而正、负温差对结构的内力与变形均不起控制作用.断索引起紧邻径索索力突然增大,次邻径索与环索索力的变化幅度则很小.对于钻石型轮辐结构,中间撑杆高度不宜大于内环撑杆高度.

含裂纹高强钢丝的腐蚀损伤与拉伸性能研究

为了研究桥梁含裂纹拉索钢丝的腐蚀损伤机理和受拉力学特性,以含预置裂纹的腐蚀高强钢丝为研究对象,采用电弧线切割方法、中性盐雾腐蚀试验、拉伸试验、电镜试验和有限元分析,开展相关内容研究。提出了考虑中性盐雾腐蚀影响的含裂纹高强钢丝拉伸受力性能的评价方法。结果表明:刻痕的应力集中系数远大于正常腐蚀蚀坑的系数,钢丝力学性能的变化是由于初始裂纹进一步腐蚀而引起,特别在腐蚀初期,钢丝处于非常不利的阶段,其受拉性能较低。建立的初始裂纹钢丝有限元模型,能较好地描述中性盐雾腐蚀试验和静力拉伸试验得出的质量损失率、截面面积损失率及极限强度的关系。

瓯海奥体中心体育馆100m跨无环索弦支网壳结构设计

瓯海奥体中心由体育场、体育馆、游泳馆及体育配套用房组成,其中体育馆主体结构采用钢筋混凝土框架结构,屋盖采用了无环索弦支网壳结构体系,为国内外首例该结构体系工程。设计中针对屋盖结构进行了屈曲分析及抗连续倒塌分析,结果表明结构的整体稳定性较好、抗连续倒塌能力强,进一步证明了结构体系选择的合理性。对拉索索力进行了专项分析,保证在各工况组合下拉索均不破断及退出受拉状态,且刚度退化后仍满足设计要求。

某平面不规则砌体建筑的加固设计与分析

某砌体办公楼建于20世纪80年代,存在明显缺陷:层数、高度超限;平面不规则;抗震措施多方面不足。该砌体结构整体性及抗震能力差,改造为幼儿园后设防类别调整为乙类,文章分析加固后整体结构的抗震性能。采用钢筋混凝土面层加固砌体墙,研究墙体受压、抗震、楼层综合抗震能力指数等指标,确保竖向构件在多遇地震下的安全性,提高整体结构抗震能力。综合考虑周围环境、施工周期、投入成本等因素,针对建筑改造内容与结构抗震措施缺陷,整理归纳一套加固对策。针对建筑的平面不规则缺陷,将加固后墙体换算等效成混凝土剪力墙,进行大震下静、动力弹塑性计算,以满足罕遇地震下的承载能力与变形要求,确保“三个水准”的抗震设防目标。

杭州市中心某基坑开挖过程对型钢组合支撑的影响研究

文章以杭州市某实际基坑工程为例,研究了基坑开挖过程对型钢组合支撑的影响。通过对现场监测数据分析,并结合数值模拟方法,探讨了基坑开挖对型钢组合支撑的影响以及其对基坑变形的控制作用,并提出设计与施工方面的相关建议。结果表明,型钢组合支撑可以有效控制基坑变形;基坑开挖范围过大会导致型钢组合支撑的轴力迅速增长,不利于施工安全,建议合理规划开挖区域面积;进行型钢组合支撑结构设计时,建议对靠近基坑底部的型钢组合支撑进行必要的加强处理。

马鞍形边界超大跨杂交型索穹顶深化设计及施工关键技术研究和应用

天津理工大学新建体育馆屋盖工程采用了马鞍形边界的杂交型索穹顶结构体系,即索穹顶的边界为马鞍形的混凝土大环梁与框架柱组成约束边界,索穹顶内圈拉索构件参照Geiger型布置,而最外圈参照Levy型布置。采用两种有限元软件对索穹顶的找形结果进行了校核,最大位形偏差值为6.7%。根据杂交型索穹顶的受力性能,研究了杂交型索穹顶关键节点的样式和受力性能。针对现场受限的施工空间,制定了在高空中心塔架上拼装中心受拉环,再对称安装拉索的施工工艺,最后通过分别同步牵引张拉最外圈上脊索和下斜索使索穹顶成形,并对杂交型索穹顶的施工全过程进行了仿真分析和施工监测。结果表明,实测数据和理论数据吻合。通过对这种结构体系从优化设计到施工工艺进行深入分析和研究,从而全方面地掌握该结构体系的工作性能,保证了施工工艺的可行性,以及结构在安装过程中的安全性和可靠性。

拉索加速腐蚀试验及其引起的力学性能退化研究

拉索作为弦支结构体系的核心构件,当其暴露于自然环境时不可避免会发生腐蚀,进而引起力学性能退化。为理清腐蚀影响因素对拉索腐蚀形态及力学性能的影响规律,通过试验研究与数值模拟相结合的方式,开展拉索腐蚀形态分析与静力性能研究。首先,制备5组共60套拉索试件,开展室内加速腐蚀及静力拉伸试验,揭示pH值、Cl^(-)浓度、腐蚀时长等因素对拉索腐蚀形态与腐蚀率的影响规律,并通过剖析腐蚀率与拉索力学性能参数间的数理关系,建立拉索考虑腐蚀影响的本构模型;然后,建立拉索截面腐蚀数值模型,分析归纳不同环境下的拉索腐蚀形态,在与试验结果对比验证的基础上,给出均匀和缝隙腐蚀的截面简化几何模型,并据此建立150套综合考虑点蚀、缝隙和均匀腐蚀不同组合的拉索精细化数值模型,计算补充拉索腐蚀后力学性能参数样本库,以弥补试验过程中腐蚀率范围较小的局限性,进而修正前述通过试验数据建立的腐蚀拉索本构模型,为在役弦支结构性能评估奠定理论基础。