Levy型索穹顶结构静力性能分析

索穹顶结构在实际工程中难免存在构件尺寸误差和结构施工偏差等不确定因素,致使结构的真实初始预应力与找形计算得到的理论值存在一定误差,因此,在建立Levy型索穹顶结构算例模型的基础上,对整个模型施加满布荷载,通过改变模型各类索杆,即脊索、斜索、环索和撑杆的初始预应力,计算并比较索穹顶模型的各类索杆内力,以研究初始预应力变化对结构内力的影响。

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。

Kiewitt型索穹顶结构自应力模态分析及优化设计

为了解新型Kiewitt型索穹顶结构的受力性能,采用节点平衡理论和平衡矩阵理论对该结构的自应力模态进行了详细分析,并对这类具有多个整体自应力模态的索穹顶结构采用非线性规划、以初应变能最小为优化目标进行了预应力优化.研究表明,考虑结构对称性后体系超静定次数等于基于平衡矩阵理论运用奇异值分解法求得的整体自应力模态数,且其整体模态数随环索数的增加而呈规律性增加,预应力优化后的合理初始预应力分布在一定的荷载工况作用下由于部分索临近松弛而达到极限状态.

Kiewitt型索穹顶结构的找力分析方法研究

以具有多个整体自应力模态的Kiewitt型索穹顶结构为研究对象,对单整体自应力模态索穹顶结构找力分析的比值更新法进行改进,提出了适用于Kiewitt型索穹顶结构的找力分析新方法,并以算例进行了验证.通过指定关键组件,分别对其施加预应力进行迭代计算,应用基于最小二乘的模态误差分析方法,将计算结果与奇异值分解法所得结果进行对比,发现:改进的比值更新法精度高,相比奇异值分解法,其得出的结果均为整体可行的自应力模态,即索受拉、杆受压,力学意义明确,为该结构的预应力确定提供了新的思路和解决方法.

Kiewitt型索穹顶结构模型试验研究

为研究Kiewitt型多整体自应力模态新型体系,在理论分析的基础上,设计加工了直径为5.0 m的Kiewitt型索穹顶结构模型,提出了支承平台、可调索杆、连接节点等的加工制作新方案,考察了当张拉各构件到设计长度时体系的初始预应力分布,以及模型在满跨、半跨和1/8跨等多种荷载工况下的静力响应.结果表明,当所有构件都张拉到设计长度时,Kiewitt型索穹顶结构的初始预应力分布达到理论计算值,在多种荷载工况下的静力响应和理论分析结果基本吻合,验证了理论分析的正确性和模型设计的有效性.

蜂窝三撑杆型索穹顶结构构形和预应力态分析研究

该文详细研讨了一种新颖的蜂窝三撑杆型索穹顶,索穹顶结构的上弦索平面投影为蜂窝状网格,与下弦节点相连的有三根撑杆。不采用上下弦只有一根垂直水平面撑杆的"拉索海洋和压杆孤岛"传统张拉整体Fuller构想。这种新型蜂窝三撑杆型索穹顶的提出,即减少了环索与斜索用量,又提高了撑杆及结构的整体稳定性。该文对索穹顶预应力态采用节点平衡方程,详细推导和建立了蜂窝三撑杆型索穹顶索杆内力的一般性计算公式,对若干参数的索穹顶给出了索杆预应力的计算用表和大量的算例分析,以诠释索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。该文的研究为索穹顶结构的选型和设计提供了一种新方案、新形体。

张拉整体索穹顶结构成型方法的试验研究

介绍了国外已经建成的2个索穹顶结构的成型方法,并总结了它们的共同点及成功之处;然后参考国外成熟工法对1个对边间距为5m的索穹顶结构模型进行了安装试验;最后采用4种方法对模型进行了张拉刚化试验,并对这些方法的效率及优缺点进行了总结。

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。

鸟巢型索穹顶自振特性分析

在鸟巢型索穹顶结构静力计算的基础上,利用子空间迭代法,计算出结构的频率和相应振型,并结合跳格与非跳格两种鸟巢型索穹顶算例,对其振型与频率进行了分析比较.计算结果表明鸟巢型索穹顶结构具有良好的整体刚度,本文结果为该类结构的进一步动力性能分析提供了基础.

葵花双撑杆型索穹顶预应力及多参数敏感度分析

提出了一种新颖的葵花双撑杆型索穹顶结构,具有斜索数量少、施工张拉成形方便、可有效防止环索滑移等显著特点;基于节点平衡方程,给出了全套预应力态索杆内力的递推计算公式,对结构的下弦环索数、矢跨比、下弦节点位置、是否开设内孔等参数做了72个算例,并验证了预应力态索杆内力计算公式是精确解.分析结果表明,结构预应力态时索杆内力从内圈向外围是成倍递增的;下弦节点位置沿竖向与水平向发生改变后,均使预应力态索杆内力发生较大的变化;矢跨比在0.1~0.2范围内时,矢跨比对索杆内力的影响较小;说明了结构矢跨比、结构中部是否开孔属非敏感性参数,而下弦环索数、下弦节点位置则属敏感性参数,在进行结构设计时应重点考虑.该结构形式的提出为索穹顶的选型、设计计算和施工提供了新方案、新思路.

用约束力计算Levy型索穹顶初始预应力的方法

提出了一种通过约束力来计算Levy型(葵花型)索穹顶结构初始预应力的方法.选定便于分析的多余约束,用约束力代替约束,根据力的平衡,首先推导了轴对称Levy型索穹顶相邻节点间脊索与斜索共同传递的竖向力及水平力计算公式;然后给出了由竖向力和水平力计算杆件初始预应力的计算公式.初始预应力计算分为两部分:一部分对应约束力为零并承受竖向荷载;一部分对应约束力为P的自平衡预应力.自平衡预应力随约束力P成线性变化,可以通过增加约束力P对应的自平衡预应力水平提高整个索穹顶结构的初始预应力水平,达到满足各种荷载工况下的受力要求.最后,通过算例描述了方法的计算过程并验证了方法的正确性.此方法计算简单,便于结构计算和调整初始预应力值.

星形四面体型索穹顶构形和预应力分析方法

为解决传统索穹顶结构环向刚度不足以及脊索网格布置不均等问题,提出了一种星形四面体型索穹顶,该索穹顶脊索环向连续布置,增加了结构抵抗不均匀荷载的能力。脊索网格水平面投影为星形单体且投影面积相同,从而保证了上弦脊索网格的均匀性,提高结构整体稳定性。针对该索穹顶结构的找力分析问题,方便了解各索杆预应力分布规律,利用节点平衡法与位移法,给出了结构在理想状态下初始预应力计算公式,计算了结构在不同矢跨比下索杆初始预应力,并给出了该结构的合适矢跨比与撑杆高度,为该结构的进一步研究和力学性能分析提供了依据,同时对该结构进行了全跨均布竖向荷载作用下的静力性能分析。结果表明:随着矢跨比和撑杆高度的增加,各索杆内力值均逐渐减小,结构矢跨比宜为1/10~1/8.5,所对应的撑杆高度宜在Δtan 15°~Δtan 20°,在此情况下结构具有较强的承载能力与良好的力学性能。

蜂窝单撑杆型索穹顶的构形及预应力态的简捷计算法

研讨了一种新型的蜂窝单撑杆型索穹顶结构,它的几何构形为上弦索,是一种蜂窝形网格布置,整个结构仍属于“拉索海洋和压杆孤岛”张拉整体的Fuller构想,但并不要求压杆垂直于水平面,而在径向平面内有一倾角,故可称为蜂窝单撑杆型索穹顶结构。采用节点平衡方程,对蜂窝单撑杆型索穹顶结构的预应力态提出了简捷分析法,详细推导了预应力索杆内力的一般性递推计算公式,并根据若干参数给出了大量的算例计算结果,以了解索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。研究工作可为索穹顶结构的选型和设计提供参考。

葵花型索穹顶结构等效平面桁架静力计算方法

选取n次轴对称葵花型索穹顶结构的1/n,将空间轴对称结构等效为一次超静定平面桁架结构.给出了葵花型索穹顶结构撑杆不在同一径向上的内力和位移处理方法,推导了力法求解约束力的计算公式,提出了小变形时各点位移计算的位移传递矩阵和计算公式.最后,通过一个算例介绍了该方法的计算过程并与有限元计算结果进行了比较,内力和位移误差均在工程设计要求内,验证了方法的正确性和准确性.

刚化索穹顶结构性能分析

针对索穹顶结构脊索容易松弛和施工技术要求高的问题,给出了一种采用刚性桁架替代柔性主脊索,结构的中心拉环改为由钢管形成刚性拉环的刚化索穹顶结构,选取Kiewitt型索穹顶结构为研究对象,利用ANSYS有限元软件进行其性能分析,通过与传统的索穹顶结构分析比较,结果表明刚化索穹顶结构能较好的解决内圈脊索容易松弛、环梁截面设计大和施工要求高的问题。

TH-Levy型索穹顶局部构件失效时的受力性能

对存在脊索、斜索、环索或撑杆等局部构件失效时的新型TH-Levy索穹顶和传统型Levy索穹顶进行受力性能研究.采用非线性有限元法对在满跨荷载和半跨荷载作用下2种类型结构的静力性能进行对比分析,采用Block Lanczos法对2种类型结构的动力性能进行对比分析.分析结果表明,新型索穹顶的上环索在控制结构内力分布的均匀性和减小结构变形上起着重要作用.当单根脊索失效时,新型索穹顶在设计荷载作用下能够保持较好的受力性能,传统型索穹顶完全失去承载能力;当单根斜索失效时,新型索穹顶的受力性能略优于传统索穹顶,二者在设计荷载作用下均能保持较好的受力性能;当单根环索或撑杆失效时,新型索穹顶未失效的部分结构仍然具有承载能力,可以避免完全坍塌,传统索穹顶完全丧失承载能力;新型索穹顶完整结构的各阶自振频率大于传统型索穹顶,单根脊索或斜索失效时的各阶自振频率下降幅度均小于传统型索穹顶,表明新型索穹顶的动力性能和结构刚度优于传统型索穹顶.

T型三撑杆索穹顶预应力计算方法与参数分析

针对传统索穹顶构造形式单一及环向刚度弱的缺陷,提出一种T型三撑杆索穹顶。采用节点平衡法与求解超静定结构的位移法相结合的方法,推导出T型三撑杆索穹在考虑自重情况下结构初始预应力分布的计算公式;对索穹顶结构进行参数分析,讨论了矢跨比和撑杆高度对结构初始预应力分布的影响,给出了结构在忽略自重的情况下初始预应力计算表,得出了适用于T型三撑杆索穹顶结构的参数合理取值范围。研究表明,T型三撑杆索穹顶结构初始预应力与矢跨比、撑杆高度均成反比,撑杆高度的影响程度更大,该结构适宜矢跨比为1/20~3/20,适宜撑杆高度为斜索角度tan10°~tan20°时的取值。

鸟巢型索穹顶结构索杆退出工作后的受力性能分析

分析鸟巢型索穹顶结构在满跨和半跨荷载作用下部分索松弛以及单根索、杆破断后的受力性能。研究发现,脊索松弛对结构整体刚度的影响很大;而随着索、杆破断位置的不同,结构的受力性能有很大差异。

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.

Kiewitt型索穹顶结构拉索退出工作机理分析

目前索穹顶结构的研究主要集中在形态分析、结构静动力性能分析、施工成形分析等方面,有关索穹顶结构拉索退出工作及部分拉索退出工作后的体系受力性能的研究还很少涉及.本文以Kiewitt型索穹顶结构为例,分析结构在多种荷载工况下索松弛和索破坏退出工作机理及部分索退出工作后结构的受力性能,得出了一些有用的结论,对该类结构的进一步研究和工程应用具有指导意义.