大跨空间钢结构预应力施工技术研究

最近几年来钢结构预应力施工技术被越来越广泛的应用在大跨空间的施工过程中,拉索材料、结构形式和施工技术在我国经济的发展之下取得了迅速的发展,也有了明显的技术进步。大跨空间钢结构预应力施工技术是一种具有系统性和过程性的技术,这一技术包括了制作、安装和张拉工艺,是一种杂交结构和特殊结构。随着大跨度空间钢结构预应力施工技术的广泛应用,对这一施工技术的研究越来越多,本文将主要从拉索材料的发展、结构形式的发展以及施工技术的发展这三个方面出发对大跨空间钢结构预应力施工技术进行研究。希望本文研究的内容对于大跨度、大空间建筑需求的满足起到借鉴作用。

奥运场馆建设中的大跨度钢结构预应力施工技术

2008年奥运会中有一部分场馆使用了大跨度预应力钢结构这种效率高、现代感强的结构形式,其中一些场馆的施工技术在国际上也属领先水平。预应力施工技术是大跨度预应力钢结构施工的核心技术,本文根据作者直接参与施工的7个奥运场馆建设为背景,从预应力施工技术的角度对国家体育馆、羽毛球馆、乒乓球馆、奥体中心综合训练馆、青岛帆船中心、奥体中心体育场改造、工人体育场改造等7个奥运场馆进行了论述,主要阐述了工程概况、预应力施工方案、施工仿真计算及施工监测等四个方面的内容。由于奥运工程所具有的代表性及其推广应用前景,本文所述预应力施工技术将对类似工程的顺利实施提供直接参考。

我国钢结构预应力施工概况

我国预应力技术存钢结构中的应用，是在20世纪50年代末开始的，80年代改革开放，钢材产量增大，现代预应力技术、设备与工艺在砼结构中的应用日渐成熟，推动了预应力钢结构的发展，但仍以传统的平面钢结构体系（梁、拱、桁架、栈桥等）为主。

数字孪生驱动的预应力钢结构安全智能控制方法

针对预应力钢结构力学参数实时变化导致安全性能分析与预测精度不足,无法实现结构的智能化安全控制,本文提出了数字孪生驱动的预应力钢结构安全智能控制方法.通过考虑结构安全状态的时空演化,形成基于数字孪生的安全智能控制框架,并将安全控制分为性能分析与预测两个方面.在控制框架的驱动下,研究了孪生模型的搭建机制并通过三维激光扫描技术和加权平均法修正模型提高保真性.基于三维激光扫描技术修正模型中关键节点坐标,有效降低了由施工误差导致的模型仿真误差.通过加权平均法综合考虑拉索的各个节点索力,修正模型中的构件尺寸,有效降低了因材料缺陷导致的模型仿真误差.依托孪生模型,精准获取表征结构安全的力学参数,为结构的安全分析与预测提供了数据支撑.融合D-S证据理论分析结构的安全状况,找到结构体系中最关键的受力构件及力学参数变化程度最高的节点.在结构安全性能预测过程中,建立数字孪生与随机森林的融合机理,分析各类因素对结构安全性能的影响程度并调整关键影响因素,预测结构的安全性能,最终形成结构安全控制机制.通过给出结构安全维护措施,有效地保证了结构的安全性.以轮辐式索桁架为研究对象,进行了方法的应用,验证了数字孪生在结构安全控制方面的有效性.

震后可恢复功能的预应力钢结构体系研究展望

作者从震后可恢复功能的钢框架体系、钢框架-中心支撑体系、钢柱脚、钢支撑、钢板剪力墙等5个方面对国内外研究现状进行综述与分析,指出了震后可恢复功能的预应力钢结构需要进一步深入研究的结构体系、构件和节点构造等关键问题.

预应力钢结构学科的发展与深化

在预应力钢结构发展迅速和应用广泛的今天,本文分析了这门新兴学科快速发展的背景和原因,并谈及在工程应用及推广中的几个问题。更重要的是本文提出继续开发学科有待开展的诸多科研领域,以使预应力钢结构学科更加科学、全面、深入地发展和提高。

预应力巨型支撑—钢框架结构初始预拉力取值准则

目的研究新型结构形式——预应力巨型支撑-钢框架结构体系的工作机理,获得其初始预拉力取值准则.方法采用SAP2000建立典型算例,逐步增大初始预拉力,模拟了预应力巨型支撑参与工作的整个过程,并进行理论分析.结果预应力巨型支撑可以使结构整体产生与外部水平作用相反方向的侧移,从而减小结构的整体侧移,提高结构抗侧刚度;特定方向的外部作用下受压预应力巨型支撑对提高结构抗侧刚度起反作用,但实际工程中外部作用方向不定,应设置x型支撑.结论初始预拉力以在外部作用下受压预应力巨型支撑剩余拉力接近零为准则.

考虑预应力实施过程的预应力钢结构全过程优化设计

分析预应力实施过程对优化设计结果的影响,探讨预应力钢结构的全过程优化设计概念。在对预应力实施过程进行统一描述的基础上,建立预应力钢结构的全过程优化设计数学模型,并从索初始形变的角度出发,基于预应力钢结构的施工力学分析理论,探讨全过程分析的优化模型约束条件计算方法。最后,依据分级优化思想,将优化模型中的设计变量分为若干层次,构建优化模型求解的三级优化方法。算例结果表明,全过程优化设计方法具有较高的效率与良好的稳定性,能够考虑不同的预应力实施过程对优化结果的影响。如给定各次预应力阶段的张拉批次顺序,可同时输出相应的预应力阶段张拉控制力方案,从而实现结构设计方案与预应力实施方案的整体优化。

预应力钢结构微尺模型实验技术

为研究微尺模型中预应力拉索的相关实验技术,以竖向预应力钢结构体系中2个典型结构为对象进行了试验,主要阐述微尺试验模型的设计、预应力的施加与测定方法、外荷载的施加方法,并着重分析了这些方法的优缺点。结果表明,螺杆拧张法施加预应力能够较好地模拟拉索只受拉不受压的受力特点,但存在系统误差,与该法配套宜采用传感器测试拉索力;丝扣拧张法施加预应力相对比较精确,但不便于更换拉索,与该法配套宜采用应变片测试拉索力。

空间预应力钢结构拉索等效预张力确定方法研究

为准确进行考虑施工过程多因素非线性耦合效应的预应力拉索施工全过程分析,对空间钢结构预应力拉索施工过程中最活跃参数——索力的确定方法进行提炼和拓展。给出拉索等效预张力的具体概念,并指出在整个预应力施工过程中拉索等效预张力相对索力更加稳定。对比直接法和迭代法用于拉索等效预张力确定时的优缺点,得出迭代法更适用于确定非线性较强的空间预应力钢结构拉索等效预张力的结论。推导基于设计初始态确定拉索等效预张力的增量比值法、定量比值法、补偿法和退化补偿法,并给出相应的基本假定和迭代公式。针对比值法易导致迭代法发散和补偿法迭代速度较慢等缺点,提出综合了增量比值法和退化补偿法的混合法,并给出相应的迭代计算流程。最后,通过济南奥体中心体育馆钢屋盖实际算例验证各种方法的准确性和有效性。

应力约束下预应力平面实体钢结构拓扑优化设计

对预应力平面实体钢结构拓扑优化设计问题进行研究,建立了以索力值、单元尺寸和结构拓扑为设计变量,以应力为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型。在求解方法上,首先以满应力设计准则法建立索力值与结构重量之间的优化模型,通过该模型的求解确定索力值,并通过满应力设计选取单元尺寸,然后对单元体厚度按阈值进行分类,从而删除低厚度单元实现结构的拓扑优化。算例结果与预应力钢结构理论相吻合,表明本文所提出的方法是有效的,可为预应力钢结构体系创新提供理论方法。

首部《预应力钢结构技术规程》的几点探讨

我国首部《预应力钢结构技术规程》的发行有助于推动预应力钢结构学科的发展与普及.本文总结了日常使用《规程》的一些体会,提出了几处关键符号的修改建议,计算了预应力拉索总安全系数,推导了拉索预应力摩擦损失计算公式,完善了预应力压杆拉索初张力的限值控制计算,提出了预应力拉索实腹梁的整体稳定计算方法.可供设计研究人员参考.

预应力技术在钢结构抗侧体系中的创新与研究

预应力技术具有很强的创新潜力,目前预应力技术已广泛应用于横向结构体系,但在竖向抗侧体系中的研究和应用较少.文中介绍了几种预应力技术在钢结构抗侧体系中的应用.着重介绍巨型钢框架-预应力复合支撑体系,该体系中刚性支撑与预应力拉索组合形成封闭、自平衡的复合支撑系统;对其进行三维有限元模型数值分析,包括竖载、水平风载静力分析及地震动时程分析,结果表明复合支撑有效增加了巨型框架的抗侧刚度,缓解了巨型桁架节点、构件受力集中现象.同时介绍了预应力巨型支撑-钢框架结构、预应力门式刚架及预应力梁柱连接.

基于Von Mises应力的预应力钢结构拓扑优化设计

为预应力钢结构设计获得最优拓扑构型和索力值,以结构拓扑和索力值为设计变量,以Von Mises应力为约束条件,建立了以结构质量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在结构上的索力值,然后采用渐进结构优化法删除低Von Mises应力单元实现结构的拓扑优化以减轻结构质量.算例结果与相应体系受力性能相吻合.

预应力钢结构自振特性研究

采用求解考虑几何非线性的结构特征方程的方法对预应力态和承载态的单自由度预应力钢结构进行自振特性分析,通过与非线性瞬态分析结果比较,验证了该方法的正确性,明确了结构自振频率与结构切线刚度的关系.在此基础上,对索桁架和张弦梁结构的自振特性进行了研究,结果表明:预拉力和外荷载引起的预应力钢结构切线刚度的改变将影响结构的自振特性,预应力通常增大结构刚度和自振频率,而外荷载可能增大或减小结构刚度和自振频率.因此,进行预应力钢结构自振特性分析应同时考虑预应力和外荷载的影响,然而对张弦梁这类结构由于预拉力和外荷载对结构切线刚度的影响相互抵消,可直接采用线性自振频率进行结构抗震设计.

位移约束下预应力钢结构拓扑优化设计

为预应力钢结构体系创新进行拓扑优化设计研究.建立了以索力值和结构拓扑为设计变量,以位移为约束条件,以结构重量最小为目标函数的数学优化模型.在求解方法上,采用两阶段设计方法.首先以结构储存应变能最小(刚度最大)确定施加在索上的预拉力,然后通过灵敏度分析,采用渐进结构优化法(ESO方法)删除低位移灵敏度单元实现结构的拓扑优化以减轻结构重量,反复迭代,直至最优.算例结果与相应体系受力性能相吻合,表明本文所提出的优化设计方法可行,为预应力钢结构选型提供了理论依据.

基于数字孪生的预应力钢结构施工安全智能化分析方法

针对预应力钢结构施工过程中力学参数时变导致结构安全性能分析精度低的问题,提出了基于数字孪生的预应力钢结构施工安全智能化分析方法,结合轮辐式索桁架的结构和施工特点,总结了施工过程中结构安全性能的特征,引入了数字孪生的建模方法,并对数字孪生的构建与应用过程进行了详细描述。在此基础上,通过融合智能算法修正得到高保真性的孪生模型,并通过在模型中设置与现实施工过程相同的工况进行实时仿真,判别施工过程结构的力学性能变化情况,实现了高精度的结构安全性能分析。最后以轮辐式索桁架为研究对象,分析其施工过程的安全状态,在数字孪生的驱动下,分析拉索松弛度对结构安全性能的影响,找到了试验模型中关键拉索构件,验证了所提方法的有效性。结果表明:该研究方法融合了施工过程的时间、空间、应用等多个维度信息,实现了对结构的实时分析与科学预判,为提高结构施工的智能化控制水平提供了可靠的借鉴。

我国首部《预应力钢结构技术规程》(CECS212:2006)编制及特点

在我国首部《预应力钢结构技术规程》(CECS212:2006)诞生与颁布之时,详细介绍了规程编制的背景、过程和重点内容,并与前苏联的《预应力钢结构技术指南》进行了对比,阐明40年来预应力钢结构学科的前进与发展,并对我国《预应力钢结构技术规程》今后的提高与深化提出了建议。

广交会展馆四期扩建工程展厅钢结构屋盖设计

广交会展馆四期扩建工程项目展厅的钢结构屋盖由珠江散步道、标准展厅和卡车通道组成。为了满足业主对标准展厅跨度及净高的功能要求,对5种钢结构屋盖的结构体系进行比选,最终采用了下弦设置穿心式预应力钢绞线的倒三角形立体桁架的结构体系。对所采用的结构体系的基本设计信息进行介绍,并对其进行了荷载分析、施工模拟分析及屋盖抗连续倒塌分析。结果表明所采用的结构方案在满足业主需求的情况下是安全可靠且经济合理的,各项指标均满足规范要求。

适用于多次预应力钢结构的新型锚具和可滑移支座

针对多次预应力钢结构施工特点,发明一种可滑移弹性隔震支座,并在支座张拉端设计了具有十字交错开槽环状夹片的多次张拉锚具,可方便地应用于预应力网壳、预应力桁架、预应力网架、索拱等形式的建筑结构。