体内布索立体桁架挠度简化计算及性能分析

为了研究体内布索方案在巨型网格结构中的作用效果,首先推导了体内布索立体桁架段在竖向荷载作用下的挠度计算公式,并利用ANSYS软件进行对比验证;在此基础上,分析了拉索在立体桁架中的作用效果,求解了结构参数一定情况下预应力的合理取值范围。然后选取单榀立体桁架拱与纵向立体桁架,对比分析了不同布索方案下结构的静力性能。结果表明:所推导的立体桁架段挠度公式计算精度较高,最大误差在5%以内,可作为整体结构关键节点挠度求解的理论依据;预应力拉索的引入改善了结构杆件的内力分布和结构变形,拱向立体桁架中仅布索段杆件内力发生改变;在各布索方案中,立体桁架拱跨中布索能最有效地减小结构最大竖向位移;纵向立体桁架各跨拉索预应力值根据弯矩极值成比例设置能最有效地改善结构静力性能,为最优方案。

直线型立体桁架合理性设计指标的确定

相比于立体拱架,相关的规范标准针对直线型立体桁架并未提供可参考的设计指标,不同的矢跨比、厚跨比、宽高比影响立体桁架的整体稳定性。以结构的屈曲临界荷载系数评判结构的整体稳定性,采用3D3S软件对某一钢结构体系进行分析,提供直线型立体桁架的设计指标建议范围,为此类体系的建筑设计提供参考。研究结果表明,直线型立体桁架矢跨比取值在0.15—0.30之间,厚跨比取值不小于1/30,宽高比在0.5—1.0之间时,结构整体稳定性较好。

某立体桁架结构码头基础设计与研究

某带有“L形悬挑”的大跨度码头建筑采用立体桁架结构,桁架内部设有单层房间,用作码头服务房。该码头位于河岸边坡,地质条件比较复杂,边坡土体常年受河流冲刷,存在坍岸及潜蚀风险,因此对基础设计提出了较高的要求。结合岩土工程勘察报告及建筑功能要求,确定了桩基及筏形基础的基础形式,利用筏形自重抵消上部结构倾覆荷载,并设置嵌岩抗拔桩,利用基桩抗压承载力保证整体稳定,利用基桩抗拔力提高结构安全储备,利用基桩水平承载力抵御水平荷载;最后将基础在最不利荷载效应组合下产生的最大水平位移施加于上部结构,反算出上部结构构件应力,计算结果满足规范要求。

交叉立体桁架系巨型网格结构的简化计算法

针对系巨型网格结构杆件和节点多、计算工作量大的特点,进行了简化计算方面的研究,提出了将立体桁架等效为连续实体梁、按空间法进行有限元计算的等效空间刚架法.分析了立体桁架的等效截面、等效抗弯刚度,并详细推导了其等效抗扭刚度,分析了主体结构不同边界条件的等效处理方法.对比计算分析表明,该方法计算精度高,主要受力杆件的误差保持在5%以内,计算工作量较完全有限元法大幅度降低,是分析巨型网格结构的一种比较优越的方法.

立体桁架拱结构的稳定性分析

本文分别采用单拱单元和多拱单元子系统,对有支撑和无支撑的两种立体桁架体系进行了稳定性研究,对桁架结构的线弹性稳定性、几何非线性弹性稳定性、弹塑性稳定性和有初始缺陷的桁架结构几何非线性稳定性进行了系统分析,研究结果可以为桁架拱结构的设计提供理论指导和设计参考.

拉索预应力折线型立体桁架拱布索方案研究

针对折线型立体桁架拱结构,提出了4种拱平面内的布索方案,研究了4种方案下预应力拱结构的静力及稳定性能,分别从结构位移的减小、索初始预拉力值的高低、水平支反力的降幅、杆件内力分布的均匀性及结构稳定性的提高5个方面与未布索立体桁架拱作了综合对比.结果表明,按照桁架拱在极限荷载作用下的屈曲形态布置撑杆拉索能够最有效地改善拱的静力性能,提高其稳定极限承载力.另外,由对预应力桁架拱的失稳模态分析发现,拉索通过撑杆对结构施加预应力能更有效地约束结构的整体变形.

动力荷载作用下拱形立体桁架损伤及失效机理

研究拱形立体桁架在动力荷载作用下2种可能的失效机理：由于几何非线性起主要作用引起的动力失稳和由于塑性变形过度发展导致的强度破坏。考虑损伤累积效应以及几何初始缺陷等因素的影响,对某拱形立体桁架在简谐荷载以及地震荷载作用下,杆件屈服比率、结构最大节点位移、结构总应变能和结构塑性位移等响应进行分析,得到动力荷载作用下结构的倒塌破坏模式,求出相应的极限荷载。对拱形立体桁架在地震下的动力性能进行参数化分析。研究结果表明：考虑损伤累积效应时,拱形立体桁架破坏加速度降低2 2.3%~4 6.7%;考虑L/3 0 0初始几何缺陷时,破坏加速度降低2.8%~1 1.1%。

交叉立体桁架系巨型网格结构的超级元与子结构相结合计算法

针对交叉立体桁架系巨型网格结构杆件、节点多、计算工作量大的特点,提出了超级有限元与子结构相结合的简化求解方法:采用三节点立体桁架超级元来处理主体结构中的立体桁架,用子结构法来处理大网格内的子结构。推导了超级元刚度矩阵及子结构参与协同承载时对整体结构的刚度贡献。经编程对比计算分析表明,该法计算精度高,误差基本保持在5%以内,计算工作量较完全有限元法明显降低,且可考虑子结构的参与协同承载,是分析巨型网格结构的一种比较优越的方法。

斜拉立体桁架内力、位移特征分析与设计

借鉴桥梁工程中斜拉桥及我国建筑工程中屋盖结构的工程经验,提出斜拉立体桁架结构是一种有发展前途的大跨度杂交结构,并对该结构体系的几种形式进行了大量的静力线性与几何非线性分析,得到该结构的受力和变形特征,提出设计中应该意的几个问题和有关参数,供初步设计中参考。

立体桁架结构敏感性分析及抗连续倒塌性能

采用ABAQUS动力隐式分析方法,考虑压杆屈曲的影响,对立体桁架结构进行敏感性分析,得到极端荷载作用下结构的连续倒塌破坏模式以及敏感构件、关键构件的分布规律,分析高跨比、跨度和截面形式对立体桁架抗连续倒塌性能的影响。研究结果表明:倒三角截面立体桁架敏感构件为支座附近的上弦杆、A类腹杆和B类腹杆;正三角截面立体桁架敏感构件为跨中下弦杆和支座附近的A类和B类腹杆。关键构件均为支座附近A类腹杆,通过增大关键构件的截面外径,可以有效提高结构的抗连续倒塌性能。在保证相同应力比的情况下,随结构高跨比增加或跨度减少,相同位置杆件的敏感性指标增加,敏感构件分布范围增大。

张弦立体桁架抗扭刚度对结构稳定性能的影响

以某实际张弦立体桁架结构为基础,通过在结构中布置不同数量的连系桁架形成4个计算模型.计算这4个模型在不同矢高、垂距、桁架高度、拉索截面及其预应力情况下的失稳模式,结果显示所有情况下结构失稳时立体桁架均发生明显的扭转变形.利用理论分析方法及有限元法研究立体桁架的抗扭刚度及其对结构稳定性的影响,发现张弦立体桁架结构的稳定承载力会随着立体桁架扭转刚度的增加而增加.当立体桁架上弦仅有横向支撑时,结构的扭转刚度主要取决于横撑的弯曲刚度,此时须保证横撑与主管刚性连接,否则立体桁架在扭矩作用下可能形成局部瞬变体系而丧失抗扭转能力.在横撑基础上附加斜向支撑是解决瞬变问题的有效方法,研究表明斜撑可以极大地提高结构的抗扭刚度,进而提升张弦立体桁架结构的整体稳定承载力.

大跨度斜拉立体桁架的自振特性分析

采用分块兰索斯法(BLOCK LANCZOS)计算了大跨度斜拉立体桁架的自振频率与振型,分析总结了该结构的自振特性的特点,探讨了跨度、塔高、塔柱的刚度、桁架高度、拉索的间距和拉索刚度以及屋面荷载等参数对结构自振频率的影响。计算表明,大跨度斜拉立体桁架结构体系频谱分布比较密集且具有较低的自振频率。文中得出的一些结论,对工程结构的设计与分析具有一定参考价值。

考虑参激振动的折线型立体桁架拱动力响应分析

研究了拉索预应力折线型立体桁架拱中的拉索参激振动问题,使用ANSYS软件建立预应力拱有限元模型,分析了结构中拉索发生参激振动的可能性,采用非线性时程分析方法研究了结构在简谐加速度激励和地震作用下的动力响应,以及桁架拱拉索发生参激振动的诱发机制,考察了预拉力、激励幅值对拉索振动的影响.研究结果表明:激励幅值一定,简谐激励频率与拱内侧拉索自振频率成2.05∶1关系时,将激发拉索的参激振动,拉索振幅较未发生参激振动时增加了约63倍,拱节点位移及杆件内力均有部分增加;地震波频率集中于拉索发生参激振动的频率范围时拉索有较大响应.为保证预应力巨型网格结构在地震作用下的安全使用,需考虑拉索参激振动对结构的影响.

大跨度斜拉立体桁架的水平地震反应分析

大跨度斜拉立体桁架是一种频谱密集周期较长的杂交结构体系,以该结构的两塔三跨和一塔两跨两种体系为对象,研究了通过控制振型参与质量贡献率来确定采用振型分解反应谱法分析时参与组合所需的振型数,探讨了水平地震反应分布规律,并进行了时程分析。研究表明:地震反应振型组合需取前20阶振型具有足够的精度,桁架最大竖向位移和塔顶水平位移及桁架和索的内力反应不大,而塔根的内力反应较大,设计时应给予足够重视。对一塔两跨体系,时程分析结果比振型分解反应谱法分析结果普遍偏大,该结构体系在设计时应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析

张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构集膜结构、飞杆与张弦立体桁架等多种受力特性于一身.给出了带飞杆的膜结构找形分析时在ANSYS上的实现过程和关键处理,并以青海省西宁市亲水中心大厅屋盖为案例进行了找形.结果表明,找形形状接近建筑初步设计造型的要求,且膜上的应力分布比较均匀.通过提升后与最终找形飞杆顶端节点的竖向坐标值对比,证实了带飞杆的膜结构找形时必须和弹性构件一起联合找形.张弦立体桁架支撑的带飞杆的膜结构找形分析时可不考虑结构自重,但需要考虑张弦立体桁架支撑的协同作用.

斜拉立体桁架的几何非线性分析

斜拉立体桁架是一种有发展前途的杂交结构体系,不需增加结构高度和构件断面,就能比较经济地跨越很大的跨度。本文基于UL列式,结合斜拉立体桁架的特点,采用了空间梁单元、空间杆单元、拉索单元相结合的混合有限元模型,分别对1塔柱2跨和2塔柱3跨两种不同形式的斜拉立体桁架进行了几何非线性静力分析,研究了由于拉索的垂度、大位移以及二者都考虑引起的非线性效应,并和线性分析作了对比,最后得出了一些结论供设计人员在设计中参考。

悬臂张弦立体桁架结构的地震响应及参数分析

运用张弦梁原理构造了一种新型的悬臂张弦立体桁架结构,以该结构为研究对象进行时程分析,并针对不同的悬索预应力值、撑杆数、撑杆高度等参数,进行详细的地震响应分析,得出了各参数在地震作用下对悬臂张弦立体桁架结构动力响应的影响.结果表明,该结构受力合理、构造简单,可以有效地减小悬臂结构端部竖向位移和根部弯矩,从而为此类结构的设计和应用奠定了一定的基础.

基于结构优化的张弦立体桁架经济性分析

在截面面积和索力值优化设计的基础上,建立以最小造价为目标函数的优化模型,参考市面上各种钢管和钢绞线的报价,提出在考虑结构位移和杆件强度约束下计算钢管直径、厚度的最优造价优化法。最后分别对预应力张弦立体桁架和非预应力张弦立体桁架进行优化,通过算例分析得出预应力张弦立体桁架相对于非预应力张弦立体桁架在经济上的优越性。

行波效应下大跨度张弦立体桁架结构地震响应分析

考虑地震波以有限波速度传播时所引起的地震行波效应,用地震波在地面传播时的相位差模拟地震波效应,对大跨度张弦立体桁架结构进行地震动分析。应用大型有限元软件ANSYS对大跨度张弦立体桁架结构的地震响应进行了空间非线性时程反应分析,详细讨论了行波效应对大跨度张弦立体桁架结构地震响应的影响,以供工程设计参考。

强震作用下立体桁架结构抗连续倒塌性能研究

地震灾害发生时,主震之后通常伴有多次余震。以往的震害事故表明,主震过程可能引起立体桁架结构薄弱部位发生初始失效,并导致结构在余震中发生连续倒塌破坏。针对以上问题,采用增量动力法确定立体桁架结构薄弱部分分布规律,然后采用预定义场法引入初始失效杆件,分析不同破坏模式下该类结构破坏加速度、倒塌极限位移和塑性杆件比例等响应的变化规律,最后提出了改善结构抗连续倒塌性能的有效措施。分析结果表明:在强震作用下立体桁架结构的薄弱部位为主桁架跨中3/8L范围内的上弦杆、下弦杆及跨中支撑桁架的上弦杆。引入初始失效后结构破坏加速度降低了13.3%～40.0%,倒塌极限位移降低了1.6%～30.9%。当初始失效杆件为受压杆件时,结构产生动力失稳破坏;当初始失效杆件为受拉杆件时,结构产生动力强度破坏。针对发生动力失稳破坏的立体桁架结构,增加侧向交叉支撑使破坏模式转变成动力强度破坏,破坏加速度提高69.4%～73.7%。