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。

圆柱面弦支穹顶Levy型与无环索型索系性能对比研究

针对温州某体育馆圆柱面弦支穹顶屋盖结构的索系选型,建立了Levy型索系方案和无环索型索系方案。探讨了两种方案的建筑美感,比较了两种方案的经济指标。采用MIDAS Gen软件建立模型分析结构在静力荷载作用下的杆件内力、节点位移和上部网壳应力,探讨了两种方案的结构刚度和索力分布特点。采用弧长法进行荷载-位移全过程分析,探讨了两种方案的静力承载力和破坏模式。基于拆除构件法分析了结构断索后的响应,探讨了两种方案的抗连续倒塌性能。结果表明:无环索方案在经济指标方面优于Levy型方案;两种方案的静力破坏模式均为强度破坏,但无环索方案的承载力较大。无环索方案的结构刚度更大、索力较低且每层索力分布均匀,上部网壳应力更小;两种方案在断索后均未发生连续倒塌,Levy型方案在环索局部破断后结构刚度下降较大,索力损失较多,无环索方案发生内力重分布且索力损失不明显,抗连续倒塌性能好于Levy型方案。

无环索弦支穹顶索系选形

从俯视平面探究了几种无环索弦支穹顶结构的拉索形式,就这些形式与上部网壳的几何匹配度进行对比分析。以94m跨径的弦支穹顶结构为例,对上述布索形式进行匹配。在确定好结构的几何模型之后,应用ANSYS软件对结构施加相应荷载,将得出的结果与相同荷载作用下的环索体系进行对比。将拉索下垂与水平面的夹角作为参数进行分析,探究其对结构竖向位移、内力的影响。研究结果表明:无环索体系的最大位移比环索体系的最大位移略大,结构整体的应力水平相当,但是最大应力无环索体系偏大,但仍在材料的正常使用范围内,满足要求。随着拉索下垂角度的增大,结构的竖向位移、压应力越来越小,拉应力呈现出先变小再变大的趋势。通过对无环索弦支穹顶索系的研究,为无环索弦支穹顶的布索形式提供一定思路,可供同类型结构参考。

撑杆跳格对无环索弦支穹顶结构静力性能的影响规律

无环索弦支穹顶结构具有抗倒塌能力强、索力均匀、稳定性好等优点,但其下部预应力索支体系的撑杆分布较密集,既影响其整体结构性能又给施工造成不便,需要跳格布置撑杆以降低撑杆密集程度。以某体育馆80m跨无环索弦支穹顶结构方案为例,提出3种跳格方案。对比原结构和3种跳格方案的用钢量、稳定性、竖向位移、拉索和撑杆内力,确定最优跳格方案;分析荷载分布模式、外荷载大小、预拉力水平和初始缺陷程度对原结构和最优跳格方案静力性能的影响规律。结果表明:去除与虚拟内环相邻的1圈撑杆为最优撑杆跳格方案;撑杆跳格位置优先选择靠近虚拟内环的撑杆,虚拟内环处的撑杆以及分布稀疏的外圈撑杆不宜跳格;本算例的最优撑杆跳格方案对结构整体刚度和结构稳定性影响不大,但跳格附近区域的结构刚度略有减弱;本算例的最优撑杆跳格方案对拉索内力无影响,但跳格导致相邻撑杆内力显著增大,不应忽略。

无环索预应力索支结构新体系

现有预应力空间结构有很多采用环索,环索是结构关键构件且索力巨大.环索作为关键构件不利于结构抗连续倒塌,环索拉力巨大增加了结构设计、施工等方面的难度.为解决以上问题,提出了无环索预应力索支结构新体系,详细介绍了新体系的构成、结构特点、理论与试验研究进展.目前为止,已经研发出无内环空间索桁结构、无内环单层索支结构、无环索弦支穹顶结构和无环索大开口索承网壳结构等具体形式.基于理论与试验研究成果发现,无环索预应力索支结构新体系具有很好的抗连续倒塌性能,索力分布均匀、拉力显著降低,而且易于制作和施工,具有很强的工程实践可行性.

基于改进应变能法的无环索弦支穹顶拉索重要性评价

基于上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差提出一种改进应变能法,用于评价无环索弦支穹顶不同部位的拉索重要性。改进应变能法采用上部网壳总应变能变化量峰值作为主要评价指标,其目的是表征断索后上部网壳的最不利状态且避免断索导致的下部预应力索杆体系应变能损失对以结构总应变能为指标的评价结论的干扰。改进应变能法采用上部网壳杆件应变能变化率标准差作为辅助评价指标的目的是考虑上部网壳不同部位应变能变化的分布情况。以含有三层无环索预应力索杆体系的直径100 m的无环索弦支穹顶为例。首先,建立结构有限元分析模型,通过施加预应力和外荷载得到无环索弦支穹顶的荷载态。然后,基于荷载态采用杆件瞬时移除技术完成断索模拟,采用中心差分积分模式的修正拉格朗日列式增量解法求解断后无环索弦支穹顶的杆件内力时程和节点位移时程。同时,基于杆件内力时程和节点位移时程,求得上部网壳每根杆件的应变能时程。最后,在此基础上,求得上部网壳总应变能时程和上部网壳杆件应变能变化率标准差。如果某部位断索后发生了结构连续倒塌,则该位置拉索的重要性排在首位或并列排在首位;如果未发生结构连续倒塌,则根据不同部位断索后的上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差为指标评价不同部位拉索的重要性。比较上部网壳总应变能变化量峰值,当断索后上部网壳总应变能变化量峰值越大,则该部位的拉索重要性越高;当上部网壳总应变能变化量峰值较为接近时,应补充比较上部网壳杆件应变能变化率标准差:上部网壳杆件应变能变化率标准差越大,拉索重要性越高。结果显示:无环索弦支穹顶的所有拉索预应力乘以相同倍数后以及所有拉索的截面面积乘以相同倍数后,采用以结构总应变能作为评价指标的拉索重要性评价结论会随预应力倍数和截面面积倍数的变化发生明显变化。这种现象的主要原因是下部预应力索杆体系应变能下降而上部单层网壳应变能上升,导致结构总应变能变化规律复杂。基于改进应变能法,采用上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差作为评价指标,则拉索重要性评价结论不随预应力倍数、截面面积倍数和上部网壳形式的变化而变化,避免了下部预应力索杆体系应变能下降带来的干扰,且可以有效区分不同部位的拉索重要性。研究表明:基于结构总应变能指标的拉索重要性评价方法不适用于无环索弦支穹顶,提出的改进应变能法可以有效评价无环索弦支穹顶不同部位拉索的重要性。基于改进应变能法分析发现:最外层预应力索杆体系中索力较大,断索的不对称变形导致不同部位拉索的重要性略有区别,拉索的中间段的重要性略小于其余各段;其余各层的索力远小于最外层,不同部位拉索的重要性没有明显区别。不同层预应力索杆体系之间,最外层的拉索重要性最高,向内依次降低。分析中还发现,断索部位附近的网壳杆件应变能变化较为明显,而距离断索部位较远的网壳杆件受到的影响很小;断索仅对无环索弦支穹顶的局部有影响,对结构主体的影响不大。

去索对无环索弦支穹顶静力性能的影响规律研究

无环索弦支穹顶结构的下部预应力索支体系较为繁冗,影响其整体受力性能且给施工造成一定困难,需要进行合理优化。以某体育馆60 m跨屋盖为实例,研究去索对无环索弦支穹顶结构静力性能的影响。针对原结构下部三层预应力索支体系,设计了四种去索方案,综合分析不同去索方案对上部网壳结构总应变能、整体结构最大竖向位移和承载力的影响程度,确定最优去索方案。模拟最优去索方案对无环索弦支穹顶结构进行静力性能参数分析,研究撑杆高度、拉索索力、初始几何缺陷对结构刚度和承载力的影响。结果表明:去索位置越靠近中心,对上部单层网壳总应变能影响越小,对结构刚度和结构承载力的削弱越小,节约用钢量越少;去除第三层索对上部单层网壳应变能、结构刚度和承载力影响很小,建议在优化时优先考虑去除第三层索;第一层撑杆高度和第一层拉索预应力的增加可以使结构整体结构刚度显著变大,对结构承载力影响不大而对失效模式影响较大;第二层撑杆高度的变化对结构刚度无影响,对结构承载力和失效模式影响很小;第二层拉索索力的变化对结构刚度和承载力影响不大而失效模式影响较大;建议在优化时优先考虑调整第一层拉索和撑杆;初始几何缺陷对结构承载力影响较大,初始缺陷越大结构承载力越低,而对结构失效模式影响不明显。