Geiger索穹顶结构自振特性及地震响应分析研究

Geiger索穹顶结构是由索杆膜结构组成的柔性体系,该结构属于对振动敏感的结构,膜结构作为索穹顶的一部分在受力分析中必不可少,并且膜面初始预应力的大小直接影响结构的内力,因此本文以两种不同的膜面预应力作为初始条件进行非线性有限元找形,对索杆膜结构的整体找形结果进行自振特性分析和El Centro波作用下的地震时程分析,结果表明改变膜结构的初始预应力可以有效地增强结构的刚度,提高结构的抗震能力。

Geiger型碳纤维索穹顶结构连续倒塌性能非线性分析

为了研究Geiger型碳纤维索穹顶结构的连续倒塌路径及破坏模式,基于备用传力路径(alternate path,AP)方法,采用等效荷载瞬时卸载法来模拟初始失效构件的拆除,对矢跨比为0.1的索穹顶结构的连续倒塌全过程进行了非线性动力数值分析。提出结构重要性矩阵和构件重要性系数的概念,建立了倒塌控制方程。依据倒塌控制方程将构件分为:关键构件、重要构件和一般构件。上述三类构件分别对应于在拆除该构件后结构发生整体连续倒塌、局部连续倒塌和不发生连续倒塌三种倒塌结果。通过参数分析,得出结论:对倒塌结果影响较大构件为内环索、内圈和中圈压杆。针对Geiger型碳纤维索穹顶结构提高抗连续倒塌性能提出设计建议。

Geiger型索穹顶的静力性能分析

针对Geiger型索穹顶的静力性能,采用ANSYS软件,根据试验过程,建立了索穹顶有限元模型,并对其进行验证.利用该建模方法,建立了直径为100m的大跨度模型,对其加载进行全过程力学分析.改变索穹顶结构的主要参数(初始预应力、高度、横截面积等),探讨了不同参数对静力性能的影响.研究表明:索穹顶由于预应力损失,结构存在一个失效荷载.当结构参数发生改变时,对应的失效荷载与挠度也随着有相应的变化.

肋环型索穹顶初始预应力分布的快速计算法

肋环型索穹顶是美国工程师Geiger根据Fuller的张拉整体结构思想开发的一种新型预张力结构,并最早应用在汉城奥运会的体操馆和击剑馆.考虑到该结构是一种轴对称结构,本文提出了确定初始预应力分布的快速计算法.该法从平面径向桁架节点平衡关系入手,推导了不设和设有内拉环的肋环型索穹顶预应力杆内力一般性的计算公式.对特定参数的索穹顶结构还给出了内力计算用表.通过本文提供的分析方法、计算公式和内力计算用表,可方便快速的确定肋环型索穹顶结构的初始预应力分布,为该类结构的进一步设计和力学性能分析提供基础.

具有外环桁架的肋环型索穹顶初始预应力分布快速计算法

目的研究具有外环桁架的肋环型索穹顶的构件布置和特点,提出确定初始预应力分布的快速计算法.方法考虑到该结构是一种轴对称结构,将结构简化为半榀平面桁架,采用节点平衡理论进行分析.结果提出了确定初始预应力分布的快速计算法,得到了不设和设有内拉环的具有外环桁架的肋环型索穹顶预应力杆初始内力的计算公式,并将对特定参数的该种结构的计算结果与非线性有限元分析结果进行了对比.结论具有外环桁架的肋环型索穹顶结构是有发展前景的新型结构,内部建筑空间利用率高,外圈索的初始内力明显减小.快速计算法可方便地确定该类结构的初始预应力分布,为设计和力学性能分析提供基础.

采用定长索设计的肋环型索穹顶结构索长误差影响的试验研究

在国内建成的肋环型索穹顶结构中,多采用调节索长以控制结构性状(力态与形态)的施工方法,而国外更多采用定长索设计与施工。定长索设计是将索头设计为不能调节长度的形式,通过精确设计和控制各索的制作长度,在现场直接张拉到位,不需要反复调节索长,节省人力物力。使用定长索设计与施工,需要首先了解张拉结构中不同索的索长误差对其整体结构预应力态和荷载态的影响,进而依据相关理论确定索长误差控制值。文中针对索长误差的敏感性,设计一个平面为矩形的肋环型索穹顶结构模型,通过试验研究初始索长误差对预应力态的影响,比较不同索的索长误差影响范围及大小的不同,并试验初始索长误差影响与预应力水平的关系。在此基础上,通过试验研究不同荷载工况下初始索长误差对结构荷载态的影响,并进行对比。最后,比较预应力态不同,初始索长误差发生位置不同时,初始索长误差对荷载态的影响。研究成果对索穹顶结构的设计与施工张拉有指导作用。

具有荷载缓和功能的肋环型索穹顶结构

为了提高索穹顶结构的抗灾害性荷载能力,本文基于荷载缓和体系的思想,提出了一种缓和装置,并将荷载缓和刚度单元应用于肋环型索穹顶结构中。以一个跨度为50 m的肋环型索穹顶结构为例,将缓和装置设置在外两圈脊索、斜索及外三圈环索共7个方案,采用有限元法分析了布置方案及荷载缓和刚度K对缓和效果影响。算例表明,在外圈环索和外圈斜索布置缓和装置时内力有较大减少。而结构的荷载缓和效果以及最大挠度都随着荷载缓和装置弹簧刚度系数K的增大而减小。

肋环型索穹顶结构的气动阻尼研究

由于索穹顶是一种具有很强风振敏感性的大跨柔性结构,所以在风振计算中气动阻尼对结构风振响应有着至关重要的影响,研究这一问题的主要途径之一就是从实测数据中有效地识别出气动阻尼并找出气动阻尼比随结构及风激励参数的变化规律。基于肋环型索穹顶结构气弹模型风洞试验结构位移及加速度时程数据,联合采用经验模态分解法、改进的随机减量法及H ilbert变换来识别结构的气动阻尼,计算结果表明该方法简便、稳定、有效。应用此识别方法提取气弹试验模型中各测点的低阶气动阻尼比并在此基础上总结了肋环型索穹顶结构中气动阻尼比随风速及风向角等参数的变化规律,为考虑来流与结构耦合时索穹顶结构的风振分析提供了重要的参考依据。

盖格体系索穹顶静力特性分析及体系改进

从一个算例出发,运用sap2000对算例进行计算。讨论盖格体系索穹顶各节点位移以及各构件内力随荷载大小的变化情况,得出盖格体系索穹顶的结构静力特性。从对计算结果的分析,得出盖格体系设计时需十分注意的问题——内圈脊索很容易松弛,并对解决这一问题的方法进行探讨,且以一个实例论证用劲性索替换容易松弛的索这一方法的有效性。

肋环型索穹顶结构静力计算的等效平面桁架方法

选取轴对称肋环型索穹顶结构的1条肋,用等效径向索代替环向索,将其等效为一次超静定平面桁架结构。选取最内撑杆上端点径向力为约束力,推导力法求解约束力的计算公式;提出小变形时各点位移计算的位移传递法和计算公式;在用力法计算出各杆件内力后,就可以通过传递矩阵由外到内计算各点的位移值。此外,对初始预应力产生的应力刚化刚度增大和索自重垂度产生的刚度减小进行定性和定量分析。最后,通过一个算例介绍所提方法的计算过程并与有限元计算结果进行比较,验证该方法的正确性和准确性。

矩形平面索穹顶结构的模型试验研究

为了了解矩形平面Geiger型索穹顶结构的受力性能,设计并加工了一长边4.7m、短边3.4m的矩形平面索穹顶结构试验模型,并对该结构试验模型的预应力、自振频率及多种荷载工况下的多级静力加载等内容进行了理论分析和试验研究。研究结果表明:矩形平面Geiger型索穹顶结构与圆形平面Geiger型索穹顶结构具有相似的静力性能,它在满跨均布荷载作用下具有良好的受力性能,但不利于承受半跨均布荷载。且结构第一阶自振频率较低,自振频率随初始预应力的增大而增大,提高结构预应力水平可以改善结构刚度。

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。

用约束力计算肋环型索穹顶初始预应力的方法

选取轴对称肋环型索穹顶结构的1条肋,用约束力代替多余约束,根据力的平衡,推导了节点之间脊索与斜索共同传递的竖向力及径向水平力计算公式,给出了脊索、斜索、环索和撑杆初始预应力计算公式.本文方法将初始预应力分为两部分:一部分为中心脊索水平约束力为0、竖向荷载下的初始预应力值;一部分为中心脊索水平约束力为P的自平衡预应力.其中,自平衡预应力与P呈线性变化,可以通过提高约束力P提高整个索穹顶结构的初始预应力水平,从而满足各种荷载工况下的受力要求.最后,通过一个算例介绍了本文方法的计算过程并验证了方法的正确性.

肋环型刚性索穹顶结构的静动力性能分析

为研究刚性索穹顶结构的性能,以跨度为60m的肋环型刚性索穹顶结构为例,分别对其进行在满跨和半跨均布荷载作用下的静力性能和动力性能分析,得到结构的固有频率及相应的振型,并与相应的肋环型索穹顶结构相比较,总结了杆件内力和位移的变化规律。结果显示在满跨均布向下荷载作用下,肋环型刚性索穹顶结构的性能较为优越;在半跨均布向下荷载作用下,肋环型刚性索穹顶结构的性能略有改善;在满跨及半跨均布向上荷载作用下,两者性能较为相似。肋环型刚性索穹顶并没有显著改变现有肋环型索穹顶的动力性能。

椭圆形盖格式索穹顶体系优化及初始预应力分析

虽然盖格式索穹顶构造简单、施工方便,在国内外圆形平面场馆中均取得了成功的应用,但在椭圆形平面场馆中的应用较少。结合力密度法及整体可行预应力概念,以天津理工大学索穹顶前期设计为背景,探索了椭圆形盖格式索穹顶初始预应力的确定方法,通过对三种不同索杆布置形式的初始预应力值的对比,可知:边界不等高且环索随边界坡度变化的盖格式索穹顶通过采取合理的改进措施后,更能适用于椭圆形屋面。