Kiewitt型索穹顶结构自应力模态分析及优化设计

为了解新型Kiewitt型索穹顶结构的受力性能,采用节点平衡理论和平衡矩阵理论对该结构的自应力模态进行了详细分析,并对这类具有多个整体自应力模态的索穹顶结构采用非线性规划、以初应变能最小为优化目标进行了预应力优化.研究表明,考虑结构对称性后体系超静定次数等于基于平衡矩阵理论运用奇异值分解法求得的整体自应力模态数,且其整体模态数随环索数的增加而呈规律性增加,预应力优化后的合理初始预应力分布在一定的荷载工况作用下由于部分索临近松弛而达到极限状态.

Kiewitt型索穹顶结构的找力分析方法研究

以具有多个整体自应力模态的Kiewitt型索穹顶结构为研究对象,对单整体自应力模态索穹顶结构找力分析的比值更新法进行改进,提出了适用于Kiewitt型索穹顶结构的找力分析新方法,并以算例进行了验证.通过指定关键组件,分别对其施加预应力进行迭代计算,应用基于最小二乘的模态误差分析方法,将计算结果与奇异值分解法所得结果进行对比,发现:改进的比值更新法精度高,相比奇异值分解法,其得出的结果均为整体可行的自应力模态,即索受拉、杆受压,力学意义明确,为该结构的预应力确定提供了新的思路和解决方法.

Kiewitt型索穹顶结构模型试验研究

为研究Kiewitt型多整体自应力模态新型体系,在理论分析的基础上,设计加工了直径为5.0 m的Kiewitt型索穹顶结构模型,提出了支承平台、可调索杆、连接节点等的加工制作新方案,考察了当张拉各构件到设计长度时体系的初始预应力分布,以及模型在满跨、半跨和1/8跨等多种荷载工况下的静力响应.结果表明,当所有构件都张拉到设计长度时,Kiewitt型索穹顶结构的初始预应力分布达到理论计算值,在多种荷载工况下的静力响应和理论分析结果基本吻合,验证了理论分析的正确性和模型设计的有效性.

冲击荷载作用下Levy型索穹顶结构动力响应分析

建立Levy型索穹顶结构有限元分析模型,给出有限元结果合理性的判定准则,提出冲击失效准则。进行大量冲击工况下的动力响应全过程分析,给出杆件破坏分布规律和失效模式,揭示结构在竖向冲击荷载作用下的失效机理。依据冲击失效机理及参数分析,提出抗冲击措施。研究结果表明:所有冲击工况均符合冲击判定准则,在所选竖向冲击荷载范围内,Levy型索穹顶结构的失效模式可分为4种,即结构轻度损伤、结构局部1级失效、结构局部2级失效和结构整体破坏。随着冲击动能的增加,结构的动力响应模式逐渐呈模式1→模式2→模式3→模式4的发展趋势。通过分析可知,结构的动力响应模式由结构的能量吸收值及构件两端速度差决定。

Levy型索穹顶结构静力性能分析

索穹顶结构在实际工程中难免存在构件尺寸误差和结构施工偏差等不确定因素,致使结构的真实初始预应力与找形计算得到的理论值存在一定误差,因此,在建立Levy型索穹顶结构算例模型的基础上,对整个模型施加满布荷载,通过改变模型各类索杆,即脊索、斜索、环索和撑杆的初始预应力,计算并比较索穹顶模型的各类索杆内力,以研究初始预应力变化对结构内力的影响。

Geiger型索穹顶冲击动力响应与失效机理研究

针对当前索穹顶结构缺乏冲击荷载作用下结构动力响应和失效机理的研究现状,该文基于ANSYS/LS-DYNA分析软件,提出了Geiger型索穹顶结构冲击动力分析模型,详细分析了冲击作用下结构的节点位移和杆件内力响应,并进一步结合美国规范UFC4-023-03的倒塌准则,对结构的失效模式进行评价,提出了三种失效模式,即结构轻微损伤、结构局部损伤和结构整体失效。随后,基于冲击破坏杆件数和杆件内力损伤程度,提出了结构整体损伤指数的概念,通过参数分析,探索了索穹顶结构在不同冲击物参数下整体损伤指数的变化特点及不同设计参数下的抗冲击性能。研究发现了整体损伤指数与三种失效模式之间的关系:当失效模式为结构轻微损伤时,其整体损伤指数小于0.3;当失效模式为结构局部损伤时,其整体损伤指数位于0.3~0.8之间;当失效模式为结构整体失效时,其整体损伤指数大于0.8。基于此提出了失效模式控制方程。冲击荷载越靠近结构中心,结构发生整体失效概率越大,反之则局部损伤和轻微损伤概率越大。提高初始预应力水平和杆件截面面积能有效提高结构的抗冲击性能。

交替提升与张拉的索穹顶结构施工优化方法

为确保索穹顶结构施工成型前索杆内力的平稳变化,提出了交替提升内拉环与张拉最外圈斜索的施工优化方法.首先,以施工过程中的平均结构应变能最小为优化目标,对内拉环的逐级提升高度进行优化;其次,通过仿真分析得到施工过程中的索杆内力和节点位移,并与仅张拉最外圈斜索的施工方法进行对比.结果表明:交替提升内拉环与张拉最外圈斜索的施工优化方法可有效减小施工过程中的索杆内力,降幅最大达61.83%,避免了施工成型前索杆内力的大幅波动,且结构位形变化较平缓,相邻施工步的竖向位移差最大为1.43 m,平均结构应变能较低,仅为55.03%,优化效果显著,验证了该优化方法对索穹顶结构施工模拟的适用性.

大跨索穹顶屋盖结构风洞试验及敏感风速研究

大跨索穹顶屋盖结构频率密集,其风振动力响应复杂,不同风速下脉动风响应对大跨索屋盖结构的风敏感性影响一直是当前风工程研究的热议难题。针对大跨索穹顶屋盖结构,设计制作了缩尺比为1∶250的试验模型,在B类地貌下开展了36组风洞测压试验,研究了全风向角下大跨索穹顶屋盖结构的风压峰值分布规律和典型不利风向角,最后基于风洞试验数据,探究了索穹顶屋盖在不同风速等级下的风振敏感性。结果表明:索穹顶屋盖主要以承载负风压为主;屋面以承载Z向负风振位移响应为主,呈现中心区域向周边下降的变化规律;屋面Z向风振位移响应随风速增大而递增,平均风响应随风速增大呈线性递增;部分风速等级下索穹顶屋盖的脉动风位移响应和总极值位移响应敏感,且风振系数较大;结构屋面响应最大点处风压系数时程傅里叶变换幅值在结构前10阶部分频段为峰值,表明索穹顶屋盖结构存在敏感风速范围,其脉动风响应显著,且与结构模态自振特性密切相关,抗风设计时应找出敏感风速范围,并对响应显著区域加强抗风设计。

Kiewitt型索穹顶结构拉索退出工作机理分析

目前索穹顶结构的研究主要集中在形态分析、结构静动力性能分析、施工成形分析等方面,有关索穹顶结构拉索退出工作及部分拉索退出工作后的体系受力性能的研究还很少涉及.本文以Kiewitt型索穹顶结构为例,分析结构在多种荷载工况下索松弛和索破坏退出工作机理及部分索退出工作后结构的受力性能,得出了一些有用的结论,对该类结构的进一步研究和工程应用具有指导意义.

索穹顶结构的美学表现研究

为了对索穹顶结构的美学表现进行研究,列举现有的大多数索穹顶形式,分析其形式美,以五边形三四撑杆索穹顶结构为例,分析其在造型、建筑材料及其结构类型所涉及的比例参数影响下的静力美,探讨初始预应力大小对五边形三四撑杆索穹顶结构动力美表现的影响;根据静、动力美表现的研究方法对三个索穹顶工程实例进行静止状态与受荷状态的美学剖析。结果表明:结构在满足实用功能和对称荷载的前提下,圆形索穹顶结构本身与受力状态富有对称美。为满足工程需要以及结构刚度需求,索穹顶结构逐渐采用刚性屋面或刚柔性并存屋面,体现出索穹顶结构的刚柔并济之美。

马鞍形边界超大跨杂交型索穹顶深化设计及施工关键技术研究和应用

天津理工大学新建体育馆屋盖工程采用了马鞍形边界的杂交型索穹顶结构体系,即索穹顶的边界为马鞍形的混凝土大环梁与框架柱组成约束边界,索穹顶内圈拉索构件参照Geiger型布置,而最外圈参照Levy型布置。采用两种有限元软件对索穹顶的找形结果进行了校核,最大位形偏差值为6.7%。根据杂交型索穹顶的受力性能,研究了杂交型索穹顶关键节点的样式和受力性能。针对现场受限的施工空间,制定了在高空中心塔架上拼装中心受拉环,再对称安装拉索的施工工艺,最后通过分别同步牵引张拉最外圈上脊索和下斜索使索穹顶成形,并对杂交型索穹顶的施工全过程进行了仿真分析和施工监测。结果表明,实测数据和理论数据吻合。通过对这种结构体系从优化设计到施工工艺进行深入分析和研究,从而全方面地掌握该结构体系的工作性能,保证了施工工艺的可行性,以及结构在安装过程中的安全性和可靠性。

基于可靠性的索穹顶结构优化设计

针对索穹顶结构缺乏有效的基于结构性能的优化设计理论现状,文中从可靠性角度出发,首先提出基于索穹顶结构非线性特性的结构可靠度量化评价方法,并结合Geiger型索穹顶结构模型,分析构件截面对结构可靠度的影响规律;在此基础上,采用遗传算法,在不增加结构质量的前提下探索基于结构可靠性的截面优化设计方法;然后基于提高结构冗余度的优化理念,提出一种布索优化方案;最后进一步对新布索方案下的索穹顶结构进行截面优化设计,寻求可靠性能最优的结构形式和质量布置。研究发现,不同类型杆件截面变化对结构可靠度呈不同的影响规律;在控制结构质量不增加前提下,截面优化使结构可靠度由0.728 123提高到0.891 355,优化率为22.4%;布索优化方案使结构可靠度由0.728 123提高至0.862 487,优化率为18.5%,在此基础上进一步优化截面,则结构整体可靠度由0.862 487进一步提高至0.997 676,优化率为15.7%。因此文中基于可靠性的索穹顶结构非线性可靠度评价方法及截面优化和布索优化设计具有良好的理论研究和工程应用价值。

复合式索穹顶结构连续倒塌分析

基于拆除构件法,以一个长轴为102m的索穹顶体育馆为工程背景,对外圈为Levy式、内圈为Geiger式的索穹顶进行了考虑节点等代建模的连续倒塌非线性动力分析,研究单根索破断对杆件内力及节点位移的影响,摸清复合式索穹顶结构的关键构件及结构的抗倒塌能力。仿真结果表明:内、外圈交界处的中环索为复合式索穹顶的关键构件;复合式索穹顶结构具有较好的抗倒塌性能,单根索破坏不会引起结构整体倒塌。

SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法

针对大跨空间结构减震控制问题,采用了一种适用于大跨空间结构的SMA-摩擦阻尼器,该阻尼器将形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)的超弹性特性与摩擦阻尼器的高耗能特性相结合.以天津理工大学体育馆的索穹顶结构为研究对象,通过计算附加模态阻尼比,得到了阻尼器的优先布置位置.基于多尺度有限元模型,研究了索穹顶结构的减震性能及SMA-摩擦阻尼器在地震中的力学性能.结果表明:在天津理工大学体育馆索穹顶结构中,阻尼器应优先替换内圈撑杆.随着地震动强度由0.07g增至0.40g,阻尼器滑动位移提升,减震性能增强,跨中节点竖向峰值加速度减震率平均值由11.97%增至30.35%,跨中节点竖向峰值位移减震率平均值由27.46%增至37.10%,杆件峰值应力减震率平均值由8.29%增至11.55%.该索穹顶结构一阶自振频率较低,与长周期地震动的傅里叶幅值集中区域接近,在长周期地震动下会有更大的动力响应,导致阻尼器滑动位移变大,耗能能力增强,结构竖向峰值加速度减震率和杆件峰值应力减震率平均值可达36.85%和15.13%,减震效果优于普通地震动.最后,对影响阻尼器滞回性能的力学参数高强螺栓预紧力和合金丝数量进行参数化分析,并结合阻尼器在结构中的受力,得到了阻尼器的力学参数设计方法,可供实际设计时参考.

拉索对肋环型索穹顶结构的敏感性分析

针对在施工张拉过程中索穹顶结构拉索的初始预应力值难以与设计值一致的问题,为了找出索穹顶结构中的敏感拉索以指导设计与施工,采用正交设计方法分析了拉索对结构的敏感性.通过建立L49(78)正交表,以一个跨度为50 m,承受轴对称荷载作用的肋环型索穹顶结构为例,研究了拉索对结构的静力、动力及稳定的敏感性,并与其他敏感性分析方法作了比较.分析结果表明,拉索对结构的静力敏感性明显高于对动力和稳定的敏感性,并且拉索对结构的敏感性高低与拉索的位置有关,在整个结构中以外环索最为关键,在设计与施工中必须严格控制其应力状态.

索穹顶结构模型试验研究

本文在进行了几何非线性有限元分析计算的基础上，设计了索穹顶结构的试验模型，采用模型计算、模型测试的对比方案进行模型结构试验研究。内容包括受压杆件的稳定性设计、节点设计、钢索锚固、模型架设过程中钢索的张拉工艺及张拉顺序等。然后，分别在预张状态和加载状态下对模型的拉索张力、屋顶垂度进行了测试，并与计算结果作了对比分析。

肋环型索穹顶结构的几何法施工及工程应用

针对索穹顶结构张拉难于控制和安装技术要求高的问题,提出一种只需张拉端部斜索的肋环型索穹顶结构施工成形方法.根据肋环型索穹顶结构竖压杆、脊索和斜索之间的几何关系,计算安装过程的竖压杆临时标高,设计并采用几何法安装了中国第一座索穹顶结构,验证了该施工成形方案的可行性.结果表明,几何施工法只需张拉端部斜索,索穹顶结构会自动成形,不需要大规模调整拉索的预应力,降低了施工技术要求,使索穹顶结构有可能得到普遍推广.

蜂窝三撑杆型索穹顶结构构形和预应力态分析研究

该文详细研讨了一种新颖的蜂窝三撑杆型索穹顶,索穹顶结构的上弦索平面投影为蜂窝状网格,与下弦节点相连的有三根撑杆。不采用上下弦只有一根垂直水平面撑杆的"拉索海洋和压杆孤岛"传统张拉整体Fuller构想。这种新型蜂窝三撑杆型索穹顶的提出,即减少了环索与斜索用量,又提高了撑杆及结构的整体稳定性。该文对索穹顶预应力态采用节点平衡方程,详细推导和建立了蜂窝三撑杆型索穹顶索杆内力的一般性计算公式,对若干参数的索穹顶给出了索杆预应力的计算用表和大量的算例分析,以诠释索穹顶预应力态的分布规律和受力特性。该文的研究为索穹顶结构的选型和设计提供了一种新方案、新形体。

基于可靠度理论的索穹顶结构的索长误差限值研究

由于施工中索穹顶结构的索长误差无法避免,会影响结构的预应力和形状,以索穹顶结构为研究对象,在索为定尺定长的施工条件下,改进了承载能力极限状态下的索力差值和正常使用极限状态下位移差值的表达式;依据结构可靠度理论,给出了2种极限状态下三种失效模式的可靠度指标.考虑到状态条件和制造要求,选择非线性规划的求解方法给出了索长误差限值的求解过程并进行验证,并给出了索穹顶结构的脊索、斜索和环索索长误差限值.研究表明:所求的索穹顶结构的索长误差分布关系符合其拉索构件敏感性分布关系,且Geiger型和Levy型索穹顶结构索长误差均不大于规范标准值.与其他索结构相比,索穹顶结构对于索长误差有更高的要求.

Geiger型碳纤维索穹顶结构连续倒塌性能非线性分析

为了研究Geiger型碳纤维索穹顶结构的连续倒塌路径及破坏模式,基于备用传力路径(alternate path,AP)方法,采用等效荷载瞬时卸载法来模拟初始失效构件的拆除,对矢跨比为0.1的索穹顶结构的连续倒塌全过程进行了非线性动力数值分析。提出结构重要性矩阵和构件重要性系数的概念,建立了倒塌控制方程。依据倒塌控制方程将构件分为:关键构件、重要构件和一般构件。上述三类构件分别对应于在拆除该构件后结构发生整体连续倒塌、局部连续倒塌和不发生连续倒塌三种倒塌结果。通过参数分析,得出结论:对倒塌结果影响较大构件为内环索、内圈和中圈压杆。针对Geiger型碳纤维索穹顶结构提高抗连续倒塌性能提出设计建议。