大型柔性摩天轮轮辐索预张力确定方法研究

以北京朝天轮结构设计为背景,通过分析确定轮辐索预张力需考虑的因素,给出了确定大型柔性摩天轮结构轮辐索预张力的方法,包括预张力值域的确定方法及其调整方法,在值域范围内调整预张力需考虑的各种因素,及估算合理预张力的简便算法.指出轮辐索预张力值域上限由180度索是否满足轮辐索安全系数确定,值域下限由0度索是否松弛确定;减小轮缘自重或适当减小轮辐索的安全系数可增大值域范围,而增大轮辐索截面积可能引起调整预张力的恶性循环;轮辐索预张力的确定还需考虑轮缘平面内外的刚度及90度索的松弛;由于轮辐索预张力和轮缘自重的比值R可大致决定结构的受力特性,故大型柔性摩天轮结构可采用与北京朝天轮相近的R值初步预估轮辐索预张力值.

摩天轮轮辐索制作关键技术

介绍摩天轮项目基本情况及对摩天轮轮辐索要求。给出摩天轮轮辐索结构图、轮辐索叉耳端密封图及弯曲疲劳试验示意图。通过采用弯曲限制器设计及灌注液体橡胶技术,结合多种密封防腐措施,并加强浇铸偏差控制,生产出的轮辐索经200万次弯曲疲劳试验检测,3根摩天轮轮辐试验索的疲劳试验检测结果全部达到标准要求并超过预期效果。

轮辐式索膜结构连续倒塌性能分析

以佛山世纪莲体育中心为工程背景,通过定性模型试验测试及原型结构有限元分析,系统研究不同构件断裂情况下轮辐式索膜结构动力响应及连续倒塌性能。结果表明,该轮辐式索膜结构主要构件重要性由小到大依次为悬挂索、腹杆、下压环、上压环、墩柱、分叉索、脊索、谷索、内环索;重要构件断裂造成的破坏程度由轻到重依次为一根谷索断裂、一根脊索断裂、两根相邻谷索断裂、两根相邻脊索断裂、墩柱断裂、两根相邻索断裂、三根相邻索断裂、内环索断裂;该结构具有较好的抗连续倒塌能力,重要杆件裂后,能将其承担的荷载迅速传递给相邻构件,较好地将坍塌部分限制在有限区域内;通过采用双索体系、分区域设计及多柱式墩可提高结构抗倒塌能力。

不同施工张拉方法下轮辐式索桁架力学分析与试验研究

针对圆形轮辐式索桁架结构,为研究合理安全、经济实用的施工张拉方法,确保结构成型后受力和变形与设计一致,基于分步提升整体张拉的思想,提出张拉上径向索、张拉环向索和顶升内撑杆3种施工张拉方法.对3种施工张拉方法进行施工仿真分析,研究张拉过程中的力学性能特点和发展历程.试验以1:10的结构缩尺模型,采用张拉上径向索方法、张拉环向索方法、顶升内撑杆方法对试验模型进行张拉.研究结果表明:3种施工张拉方案发展历程规律相同;施工中张拉上径向索方案所需张拉工装吨位最大,但操作简单;顶升撑杆方案工期最长,张拉环索方案张拉工装吨位最小,但需对环索进行构造处理.将张拉试验结果与理论结果进行对比分析,最后得出适合轮辐式索桁架结构的施工张拉方案,所得结论对此类预应力钢结构施工方法具有实际借鉴意义.

轮辐索式摩天轮结构的解析解

研究轮辐索支承的摩天轮结构传力特点,引入连续化方法,将离散设置的索展开为连续分布的纤维,建立轮盘结构在运营荷载作用下的平衡微分方程,求解得到了结构内力和位移的近似解析解。通过数值算例对解析解进行了验证,表明本文提出的解析解计算精度较高。本文的解用公式揭示了摩天轮结构荷载与内力、变形之间的内在关系,具有明确的物理意义,可以为摩天轮结构设计提供参考。

轮辐式交叉索结构构形研究及其预应力态分析

以传统轮辐式索结构为基础,提出一类轮辐式交叉索结构,该类结构由双层外环压梁、双层内环拉索、内环撑杆、径向交叉布置的径向承重索、径向稳定索及它们之间的联系索杆组成。采用径向索交叉布置的新形式可减小结构层高度,改善结构整体抗扭刚度,同时形成的"空间谷脊效应"便于屋面组织排水。根据内环撑杆布置方式的不同,轮辐式交叉索结构又可分为竖撑杆型和人字撑杆型两种不同构形的轮辐式交叉索结构。基于节点平衡方程,对提出的两种轮辐式交叉索结构进行预应力态分析,推导出轮辐式交叉索结构预应力态内力的计算公式。此外还将轮辐式交叉索结构的预应力态受力特性与传统轮辐式索结构进行对比,并考虑不同内环结构高度、内外环几何中心高差等几何参数下结构的自应力分布情况。结果表明,轮辐式交叉索结构具有结构高度低、结构刚度大、受力合理等特点,在大型体育场等建筑中有很好的工程应用前景。

柔性摩天轮索径夹角与结构应力比关系的研究

摩天轮索径夹角的大小与主轴长度密切相关,夹角越大,主轴长度越长,整体稳定性越好。但是主轴越长,其受到的扭矩将增大,造成主轴用量变大乃至制作加工、吊装困难、成本上升等一系列问题。故以主轴长度代替索径夹角,采用MIDAS Gen软件通过数值模拟的方法研究了摩天轮各结构构件在相同荷载不同主轴长度,即不同索径夹角下的应力比变化趋势,确定了该摩天轮合理的主轴长度,由此确定了合理的索径夹角,并通过新的轮辐索结构布置方式解决了在有限轴距的情况下来增大索径夹角的问题。

三亚体育场不规则支承轮辐式索桁架组合结构施工技术

三亚体育场屋顶罩棚为不规则支承轮辐式索桁架组合结构,存在新材料应用种类多、工程体量大、组拼安装技术难度大、工程形态复杂、张拉施工技术难度大、索桁架为柔性体系、精度控制难度大、工程构件种类多、施工仿真计算分析复杂等难题。施工过程中应用地面单层索系拼装与连接技术,索桁架提升张拉与空中组装成型同步实施技术,提升张拉过程采用对称分级、主动张拉与被动张拉结合的方法,完成索桁架结构施工,使索桁架结构的力与形达到初始态,实现预期效果。

轮辐式索桁架外围支承结构拆撑方案对比研究

三亚体育中心体育场罩棚为轮辐式索桁架结构,其外围支承结构体系施工时共布置126个临时支撑胎架,临时支撑体系拆除是影响结构成型状态及施工安全的重要因素。综合对比位移、应力、支座反力等多因素,对拆撑方案进行对比研究,最终采用先拆除中柱胎架,然后从长轴方向附近开始逐步拆除南北侧的内外环胎架,最后从短轴方向附近开始逐步拆除东西侧的内外环胎架,内外环同步拆撑的方案,并与施工实测数据进行对比,进一步验证了方案的合理性,可为类似工程提供参考。

深圳宝安体育场索桁屋架索力测量

深圳宝安体育场是中国目前最大的自平衡轮辐式索膜结构之一。该体育场的索体结构具有索类型多、索力大、施工过程中索力变化复杂以及索的边界条件多样等特点,常规的索力测量方法很难直接应用。针对宝安体育场索结构的结构特点及施工工艺,提出了索力测量的夹具法。实验分析和实际工程监测均验证了该方法测量索力的有效性。

摩天轮用耐腐蚀抗弯曲疲劳拉索制作技术

摩天轮轮辐一般采用钢结构或钢拉索进行连接。钢拉索作为轮辐索,需要考虑拉索的密封防腐性能、抗弯曲性能、抗疲劳性能等因素,以满足摩天轮的使用要求。研究拉索的材料选择、结构设计以及制作工艺等,使拉索耐腐蚀、抗弯曲、抗疲劳性能达到相关要求。在德国权威实验室进行拉索相关检验试验,结果达到或超过国内及国际相关标准的规定,满足工程的使用要求。

基于静态位移测量的索膜结构损伤识别研究

轮辐式空间索膜结构是一类应用越来越广泛的大跨度空间结构形式。在此类结构中,拉索是提供预应力及结构刚度的主要构件。使用过程中,由于外界荷载及环境因素的影响,有可能导致拉索产生预应力松弛的现象。虽然预应力的少量损失不会对结构有大的影响,但当该损失达到一定的程度后,结构的性态就会发生明显变化。因此,积极开展轮辐式空间索膜结构中拉索预应力状况的健康监测与损伤识别研究是必要的。以轮辐式空间索膜结构为研究对象,考察了温度对结构的影响,并采用通过测量静力位移和索力的损伤识别方法相结合的技术路线,就该类结构中拉索的损伤识别问题进行了初步探讨。

轮辐式斜交型索结构的几何构型与预应力态分析

轮辐式斜交型索结构体系的弦索采用斜向布置形式,能有效改善结构的整体抗扭性能,并有利于提升施工稳定性和使用安全性,同时也增加索结构体系的美感,丰富结构形式。通过几何形态分析发现轮辐式斜交型索结构的关键形态参数包括索结构桁架单元数量、斜交角度、内外环半径、起拱高度和下垂深度,并基于此建立参数化建模方法。根据节点平衡方程,推导轮辐式斜交型索结构在预应力态下的索杆内力快速估算公式,并探究斜交角度、内外环厚度和内外环几何中心高差对预应力分布的影响,结果表明:斜交角度对结构受力效率的影响较大;内外环厚度对拉索索力的影响很小,而对内环撑杆轴压力的影响较大;内外环几何中心高差对索杆内力的影响较大。该文的研究有助于促进轮辐式斜交型索结构的进一步应用。

深圳宝安体育场轮辐式索桁架屋盖成形关键技术

深圳宝安体育场为目前国内最大的轮辐式空间索桁架结构,具有索的数目多、成形过程结构刚度变化大、成形后索的张力大等特点,是目前最具难度的索工程之一。结合工程特点,对结构成形总体方案的选取、成形过程的仿真模拟、成形过程中结构的稳定性、成形控制等关键问题做了详细分析,为结构张拉施工提供依据。在理论分析基础上,施工时引入大型结构自动化整体移位系统,对36根径向索用72台千斤顶同步张拉。现场施工及测试结果表明:成形方案选取合理,理论分析与实测吻合,大型结构自动化整体移位系统大大提高了张拉效率。

深圳宝安体育场屋盖轮辐式索膜结构设计

系统地介绍了宝安体育场屋盖罩篷轮辐式索膜结构的结构体系和设计理念,阐述了设计过程中的一些重点、难点问题及其解决方案,对该轮辐式屋盖结构的施工张拉过程进行了初步的模拟计算,并研究了屋盖结构各构件在此施工过程中的内力变化情况。

三亚国际体育产业园体育场钢结构设计

三亚国际体育产业园体育场钢结构体系由外侧钢结构、轮辐式索桁架结构、屋顶膜结构组成。介绍了体育场钢结构各组成部分的结构体系、支承条件及连接关系,重点阐述了钢结构体系的设计难点及解决方案。设计了一种铰接柱支承的水平桁架结构,通过水平环桁架整体作用减小了环梁截面。设计了碳纤维增强复合材料拉索(CFRP索)组成的轮辐式索桁架结构,减轻了悬挑端自重,减小了交叉索对环索内力的影响,降低了索夹承受的不平衡力。对索膜结构形态进行了分析,实现了索桁架结构初始态位形与目标建筑几何相一致。研究了钢结构体系的整体稳定性能和各种荷载作用下的极限承载能力,结果表明钢结构整体稳定性能满足要求。研究了个别拉索发生偶然断索情况下钢结构体系的抗连续倒塌性能,结果表明断索不会引起连续断索导致结构倒塌。分析了不同施工安装次序对外侧钢结构内环梁稳定性的影响,通过屈曲分析得到内环梁计算长度,用于施工过程稳定验算。此外还介绍了关键节点设计。

某体育中心结构设计

详细介绍了某体育中心的结构设计。针对项目用地条件,工程采用了先进、同时对施工吊装设备要求较低的索承结构体系。体育馆、训练馆和游泳馆充分利用周圈布置的环梁和V撑为索结构屋盖提供水平和竖向刚度;大跨度屋盖刚度由索结构体系自身的预张索力提供。根据建筑造型以及功能要求,场馆下部混凝土采用框架结构、预制看台板体系,屋盖钢结构分别采用索穹顶、单层索网、轮辐式双层索网以及张弦梁等索承结构体系,达到了技术先进、安全适用、经济合理、美观以及高效的材料利用率的目标,为大跨度索承结构体系在强台风地区的应用起到了一定的推动作用。

大型索结构断索动力响应研究

在大型索结构中,拉索作为主要受力构件承担较大的荷载。分析断索对结构的影响,成为大型索结构抗连续倒塌设计的关键。选取FAST望远镜、国家速滑馆、卡塔尔卢塞尔体育场、三亚国际体育产业园体育场、日照奎山体育中心体育场、大连梭鱼湾专业足球场等多个大型索结构工程,针对结构中典型拉索发生断索的情况,采用动力分析方法研究断索后结构的动力响应,总结索网(双向正交、三角形网格)、轮辐式索桁架(单环索、双环索、内环带刚性挑棚)等不同类型索结构断索后动力响应的特点以及断索引发的动力系数。研究结果表明:除三角形网格单层索网外,其他类型的索网、轮辐式索桁架等索结构在断索后的动力系数均出现大于规范推荐取值的情况,推荐采用动力分析方法进行断索分析;双向正交单层索网刚度、稳定性和内力重分布能力较三角形网格单层索网小,拉索断索产生的动力效应较大;索桁架交错布置的单环索轮辐式索桁架结构同双环索轮辐式索桁架结构相比,径向索、环索断索后相互产生的动力效应较小;对于轮辐式索桁架结构,当上弦设有与径向索同向布置的膜拱及交叉次索时或当环索处设有刚性挑棚时,可有效降低断索产生的动力效应。

大连梭鱼湾足球场屋盖结构选型与张拉试验研究

以大连梭鱼湾足球场为背景,为选择经济、合理的屋盖结构形式,对双层正交轮辐式索结构方案、上层斜交轮辐式索结构方案和双层斜交轮辐式索结构方案进行了对比分析,结果表明,上层斜交轮辐式索结构体系具有较好的经济性和受力性能,可作为大连梭鱼湾足球场屋盖所采用的结构体系。为进一步研究上层斜交轮辐式索结构屋盖张拉施工方案的可行性,设计了缩尺比为1∶20的试验模型,并开展张拉试验,同时采用非线性有限单元法模拟了张拉全过程。结果表明:张拉试验能够准确模拟实际结构的张拉施工过程;张拉过程稳定可控,地面拼装、整体张拉提升的施工方案可行;试验采用的主动张拉索的牵引长度可供实际施工参考。

厦门白鹭体育场巨拱支承大跨度屋盖结构设计研究

厦门白鹭体育场巨拱跨度为360 m,向外侧倾斜22°,东、西两侧巨拱不对称,受力形态复杂。场芯椭圆长轴与短轴之比接近2.0,最大高差将近45 m,无法满足传统轮辐式索结构的成形要求。为了解决该问题,巨拱采用矩形截面管桁架,并通过将相邻巨拱拱脚承台连为整体等综合措施增强抗推能力。采用刚性撑杆代替部分受压下径向索,形成索-撑杆混合结构体系,并研发了带关节轴承销轴的索夹节点。分析结果表明:巨拱承担63.75%的竖向荷载,弹性屈曲因子大于10,弹塑性屈曲因子为5.9;在竖向荷载、风荷载与多遇地震作用下,巨拱的变形均较小,具有较好的刚度与稳定性;在罕遇地震作用下,巨拱基本保持弹性状态,东、西巨拱在各自的倾斜方向出现较小的残余变形;场芯轮辐式索结构采用分体模型和整体模型两阶段找形方法,可以显著减少计算工作量,加快收敛速度,成形态内环竖向坐标以及索、杆内力变化均匀连续;径向索、刚性撑杆以及环向索分别失效后,节点位移与杆件内力发生突变,经过一段时间震荡后逐渐趋于平稳,结构不会发生连续倒塌。