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.

弦支穹顶结构环索预应力设计方法对比研究

选取几何法及撑杆控制面积法确定环索预应力比,选取支座径向位移相等准则及网壳顶点竖向位移相等准则确定环索预应力幅值,将它们进行交叉组合构成4个环索预应力设计方案。另外还选取刚性索法及改进刚性索法作为环索预应力设计方案。以2008年北京奥运会羽毛球馆屋盖弦支穹顶结构为背景建立了算例结构模型。以结构重量为目标函数,考虑构件的长细比约束、强度应力约束、稳定应力约束和结构位移约束,考虑12个设计荷载工况。基于上述6个环索预应力设计方案,采用ANSYS编程语言分别编制结构优化设计程序,以确定最优的环索预应力设计方案。研究结果表明:在弦支穹顶结构优化设计中,以撑杆控制面积法确定环索预应力比,以支座径向位移相等准则确定环索预应力幅值,所获得的结构重量最轻同时结构水平与竖向刚度也最大。

弦支穹顶结构环索卸载试验研究

弦支穹顶结构中,承受高水平预应力的拉索是其核心构件。笔者对一室外环境下的弦支穹顶模型展开了环索卸载试验,通过逐圈卸载环索得到了卸载过程中各圈环索索力的变化规律,并通过反推得到了卸载前结构中环索的预应力水平,与三年前结构的预应力水平进行对比,得到了预应力损失值。试验发现,由于受到锚具变形、温度变化、松弛徐变、锈蚀以及施工等影响,三年后环索索力降低了约20%,严重影响上部网壳结构的受力性能和安全性能。在实际工程中,要采用可靠措施,保证张弦结构中拉索的预应力水平,保障结构安全。

预应力损失对索穹顶静力性能的影响

采用张力补偿法模拟逐层双环索穹顶结构环索预应力张拉施工。考虑施工滑移索摩擦影响,讨论了结构存在环索预应力损失的条件下的静力性能,并与传统索穹顶结构在相同条件下的静力性能进行了比较研究,得到一系列对实际工程应用和进一步研究有借鉴意义的结论。

大跨度非封闭索桁架结构施工技术

乐清市体育中心体育场采用了大跨度空间预应力结构体系,屋面为非封闭索桁架结构系统,外环钢结构为倾斜钢管混凝土锥面网格结构。通过大量的仿真分析和方案的论证,施工采用外环钢结构无支撑式安装、混凝土在钢结构合龙后浇筑、索系低空无应力组装、整体提升上径向索和同步分级张拉下径向索的施工工艺。通过科学合理的施工组织设计,整个施工方案的实施收到了良好的效果,解决了施工中的重点、难点问题。

环向悬臂索承网格结构预应力设计关键技术研究和应用

徐州市奥体中心体育场工程屋盖采用了新型杂交空间结构——环向悬臂索承网格结构,结构构造为开口形式,与弦支穹顶相似,径向钢梁变为悬臂构件,与周围结构通过销轴连接,这释放了悬臂构件端部弯矩,使钢拉索构件成为主要的受力构件,减小了悬挑梁的截面从而大大地减少用钢量。对本工程与预应力优化设计相关的关键技术进行了研究,包括钢拉索失效分析、预应力索夹节点的深化设计和抗滑移试验,并采用正搭法和倒拆法对预应力施工进行仿真分析等。结果表明,环向悬臂索承网格结构适用于超大型的体育场及其他公共建筑。

弦支穹顶结构尺寸优化设计的研究

以结构重量为目标函数,考虑构件稳定应力约束、强度应力约束、长细比约束和结构位移约束,对弦支穹顶结构进行了尺寸优化设计研究。为有效引入位移约束,采用位移关于构件截面积梯度分量权重来增加构件截面积。为提高设计变量的搜索效率,对钢管、钢索和钢拉杆规格库进行了优化排序处理,显著提高了优化搜索速度。采用优化设计方法,对深圳大运会篮球馆屋盖弦支穹顶结构进行了尺寸优化设计研究。研究结果表明,在构件稳定应力、强度应力、长细比和结构刚度(位移约束)等约束满足设计要求前提下,结构用钢量显著减少。优化设计方法搜索速度很快,应用简单,可用于大型弦支穹顶结构设计中。

新型脊杆环撑索穹顶结构静力性能分析

索穹顶结构是一种结构效率极高的大跨预应力空间结构,适用于体育馆、展览会馆等大跨度场馆的屋盖结构.为解决传统索穹顶结构脊索易发生松弛、斜索数量多等不足,丰富索穹顶结构方案,提出一种新型预应力空间结构——脊杆环撑索穹顶结构,具有无脊索松弛现象、承载能力提高、斜索数量少等优点.建立了脊杆环撑索穹顶的有限元模型,进行静力分析,研究结构在满跨、半跨均布活荷载的组合工况下弹性阶段的受力特点.进一步进行参数分析,探讨了结构基本参数对脊杆环撑索穹顶的杆件内力、节点位移及失效荷载的影响规律.分析结果表明,脊杆环撑索穹顶具有良好的静力性能,避免了脊索易松弛退出工作的缺点,结构整体刚度大于传统索穹顶,施工难度降低.结合初始预应力、矢跨比、斜索与水平夹角、构件截面及总截面面积等结构参数的影响规律,给出结构设计建议,为脊杆环撑索穹顶结构的工程应用提供依据.

小常识

预应力索穹顶：上下双层索系分别连接于外环圈梁和内环梁，上下索系间以中间撑杆相连。安装时，张拉索系引入预应力，赋予结构以刚度并承受荷载。由于结构体系由大量拉索和少量轴向压杆构成，具有最大的结构效率和最小的结构材耗量，所以是工程结构领域最优秀、最科学的横向承重结构体系。