Levy型劲性支撑穹顶自振特性试验

劲性支撑穹顶结构是近年来在索穹顶结构的基础上提出来的一种新型结构体系,它把索穹顶结构下部的拉索全部用高强钢拉杆代替,既保留了索穹顶结构造型美观、构造轻盈等优点,同时又解决了柔性索穹顶在张拉成形过程中杆件定位难且由于无预应力而导致的无整体刚度的问题.为研究Levy型劲性支撑穹顶结构的自振特性,本文设计了一个6 m跨度的Levy型劲性支撑穹顶结构,并在试验场地张拉成型,同时测得实际内力与设计内力误差基本在1%以内.以这个试验模型为研究对象,采用激振器正弦激励法测定了该结构在初始预应力、满跨荷载以及半跨荷载3种荷载状态下的自振特性,得到了该结构在不同荷载状态下自振特性的变化规律.结果表明:该Levy型劲性支撑穹顶自振频率均较为密集,与索穹顶结构相似,验证了劲性支撑穹顶结构张拉成型的可能性与体系的合理性;不同状态下该Levy型劲性支撑穹顶自振频率理论值与试验值误差较小,均在±6%以内;在全跨荷载和半跨荷载分别作用下,低阶频率随荷载增加而增大,高阶频率随荷载增加反而有一定的降低趋势;该Levy型劲性支撑穹顶结构阻尼比基本在0.0081～0.0132之间,建议具有与该Levy型劲性支撑穹顶试验模型相似结构形式的Levy型劲性支撑穹顶在实际动力响应分析过程中阻尼比取0.01.

Levy型劲性支撑穹顶结构连续倒塌分析

劲性支撑穹顶结构在遭受意外冲击时,可能发生连续倒塌,造成财产损失,甚至人员伤亡,因此分析其连续倒塌性能十分必要。本文依据Levy型劲性支撑穹顶结构的特点,给出杆件阀值系数及其计算公式,提出连续倒塌判别准则及倒塌类型;基于响应差值的损伤系数,给出杆件重要性系数;依据杆件重要性系数对Levy型劲性支撑穹顶结构的杆件重要性进行计算并排序;基于连续倒塌判别准则和杆件重要性分析结果,提出连续倒塌分析方法和流程,分析结构的连续倒塌性能,矢跨比、初始预应力对连续倒塌性能的影响,给出劲性支撑穹顶结构抗连续倒塌的方法。研究表明:Levy型劲性支撑穹顶结构的连续倒塌类型分为无倒塌、局部倒塌和整体倒塌;结构外环杆重要性系数最大,其次是内环杆;外环杆、内环杆和节点发生破坏,结构将发生连续倒塌,其它杆件破坏结构不会发生倒塌;矢跨比越小、初始预应力越大,杆件的重要性越小;加强节点和环向杆件根数可提高结构的抗连续倒塌能力。

Levy型劲性支撑穹顶静力性能分析

Levy型劲性支撑穹顶结构是在佐治亚索穹顶基础上改进提出的新型预应力空间结构,其上部为空间索网体系,下部为刚性杆支撑体系,该结构可以改善索穹顶施工张拉成形存在的技术难题.本文基于ANSYS软件,采用非线性完全牛顿拉夫逊法,分析了Levy型劲性支撑穹顶结构在荷载分布、荷载大小、初始预应力、矢高、跨度和环向等分数等参数改变时,结构性能的变化规律.结果表明,Levy型劲性支撑穹顶结构具有整体刚度好,内力分布合理等优势,算例分析给出了结构参数取值的建议,可供工程设计参考.

Levy型劲性支撑穹顶静力性能试验研究

为研究Levy型劲性支撑穹顶结构的静力性能,以跨度6 m的Levy型劲性支撑穹顶结构实际模型为研究对象,通过试验研究了其在初始预应力、满跨荷载和半跨荷载作用下的静力性能,获得了Levy型劲性支撑穹顶结构模型中各杆件内力和节点位移随外荷载增加变化规律。研究结果表明:在满跨荷载作用下,随着荷载的增大,环杆、撑杆和斜杆轴力都逐渐增大,脊索索力逐渐减小;在半跨荷载作用下,随着荷载的增大,结构内部杆件内力变化平稳,结构受荷一侧各杆件内力变化规律与全跨荷载作用下变化规律基本相同,但各杆件内力的变化值较全跨荷载作用大,结构对非对称荷载比较敏感,结构非受荷一侧内力变化比较复杂,脊索索力减小,撑杆和环索内力减小,内、中斜杆内力减小,外斜杆内力基本不变,半跨荷载引起的节点竖向位移比满跨荷载引起的竖向位移大,但整体结构位移均较小,竖向刚度较大,表明用劲性钢拉杆代替索穹顶下层拉索构件是可行的。研究结果验证了劲性支撑穹顶结构合理性与可行性,可为工程应用提供参考。

劲性支撑穹顶结构找形分析

针对索垂度在施工成形过程中不可忽略的问题,采用悬链线单元模拟索,依据胡克定律、小应变假设和变形协调方程等条件,推导了索原长的计算公式,给出了一种已知任意一个正值求解索原长度的二分法。在正交索网结构中,采用该二分法求得的索原长与已知条件给出的索原长进行对比,其误差均不超过0.16%,且不同初始值计算得到的索原长差别不大。针对劲性支撑穹顶结构的找形分析问题,给出了一种FEDR法,即有限元动力松弛法,以期提高动力松弛法的计算精度和可靠性。给出了找形分析的求解策略,并通过FORTRAN语言和ANSYS的APDL语言编制找形分析程序。对正交索网和跨度为71.2 m设两道环杆的肋环型劲性支撑穹顶结构进行找形分析,ANSYS有限元分析与FORTRAN语言找形程序求得的杆件内力进行对比,其误差均不超过0.42%。

劲性支撑穹顶结构模态特性参数分析

模态特性分析是结构动力特性分析的基础。选用杆元和索元建立有限元模型,采用分块Lanczos模态方法,分析了劲性支撑穹顶结构不同荷载工况下结构的模态特性,讨论了初始预应力、杆件截面面积及高度、跨度、矢高、荷载等参数对结构自振频率的影响。算例分析表明:劲性支撑穹顶结构自振频率较小且分布密集,出现大小相近或相同的频率对及相互对称的振型;环向等分数和杆件截面面积对劲性支撑穹顶结构的自振频率影响较小;荷载作用使结构的自振频率变小;预应力、跨度及矢高对自振频率影响较大,应在结构设计阶段给予充分考虑。

劲性支撑穹顶结构施工成形分析

研究目的:劲性支撑穹顶结构是一种新型的预应力空间结构,克服了索穹顶结构的许多施工技术难题。该结构具有节点定位容易、结构效率高及自支撑自平衡等特点。从工程应用的角度,结合劲性支撑穹顶结构的自身特点,本文提出了一种施工安装张拉方法,并给出了模拟分析策略及程序实现方法。研究结论:(1)提出逐节点拼装整体张拉提升的施工安装张拉方法,给出了施工控制和监测方法;(2)采用改进的动力松弛法对施工过程进行模拟分析,给出实现策略,采用FORTRAN和ANSYS的APDL语言编制程序;(3)算例分析表明,提出的施工安装方法可以有效减小结构构件在施工张拉过程中的超张拉问题;(4)研究成果为劲性支撑穹顶结构的工程实践提供施工和分析方法等方面的参考。

劲性支撑穹顶结构局部断索(杆)分析

劲性支撑穹顶结构是一种新型的索结构,断索(杆)分析对结构破坏机理和倒塌性能研究有十分重要的意义。运用瞬态动力学的Newmark时间积分法对单根索(杆)断裂后结构的力学性能进行分析,提出了响应变化率和动力响应系数,运用其评价各类索(杆)破断对结构的影响程度。根据局部断索(杆)是否引起其他索杆的强度破坏和过大位移将杆件分为全局敏感性构件、局部敏感性构件和不敏感性构件。提出了一种杆件重要性系数,表征杆件的重要性并对其重要性排序。研究表明:内外环杆、外斜杆和外撑杆破断结构发生连续倒塌,其为全局敏感性构件;外脊索、中脊索、内脊索、中斜杆、内斜杆和内撑杆破断对其附近的构件影响较大,为局部敏感性构件;外环杆的杆件重要性排在首位,内脊索排在末位。

劲性支撑穹顶结构的施工方法与试验研究

基于劲性支撑穹顶结构具有杆件定位容易、自身质量小及结构效率高等特点,提出中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法和地面拼装高空提升1次张拉成形的施工方法。将这2种施工方法对比分析,确定采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法,采用FEDR算法进行施工成形分析。设计1个直径为6 m的劲性支撑穹顶结构模型,采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法对试验模型进行施工,将试验结果与理论分析结果进行对比分析。分析试验过程中容易出现的关键问题并给出解决方案。研究研究表明:设计的试验模型是可行的;采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法施工时,各步的内力和位移试验值与理论值基本吻合。

劲性支撑穹顶结构敏感性分析

劲性支撑穹顶结构是一种新型的预应力空间结构,施工张拉过程中结构外形很难与设计图纸一致。采用正交设计方法对结构进行敏感性分析。对跨度为76m的肋环型劲性支撑穹顶结构进行敏感性分析,分析表明支座定位的竖向偏差影响大且高度显著,环向偏差影响小且不显著;对外圈脊索内力,除外圈撑杆杆长偏差影响不显著、内圈斜杆杆长偏差影响显著外,其它影响因素均高度显著。对内测撑杆上节点竖向位移,内圈斜杆和外圈撑杆偏差影响不显著,外圈脊索偏差影响显著,其它影响因素均高度显著。研究成果可为工程实践中的索力调节提供一定的理论参考。

肋环形劲性支撑穹顶动力特性分析

劲性支撑穹顶结构是新型的柔性大跨度结构,其对地震、风等动荷载的敏感性尚不知晓,因此,对该结构动力特性的研究具有十分重要的意义。利用有限元软件ANSYS,采用分块Lanczos模态方法,分析了肋环形劲性支撑穹顶结构不同荷载工况下结构的动力特性的变化规律,讨论了初始预应力跨度、矢高、荷载等参数对结构自振频率的影响。算例分析表明,荷载作用使结构的自振频率变小,但影响程度不大;预应力、跨度及矢高对自振频率影响较大。

肋环型劲性支撑穹顶结构静力性能研究

给出劲性支撑穹顶结构静力分析时的基本假设和非线性有限元方程。探讨劲性支撑穹顶结构索垂度的影响,对比分析该结构与索穹顶结构的静力性能,最后讨论初始预应力、跨度、矢高和环向等分数等参数对结构静力性能的影响。算例分析表明,索垂度对劲性支撑穹顶结构静力性能的影响可忽略不计。劲性支撑穹顶结构的整体刚度比索穹顶结构大,脊索的受力性能更能得到充分的发挥。

一种新型预应力空间结构——劲性支撑穹顶

基于索穹顶结构的技术难点以及高强钢拉杆性能特点,介绍了劲性支撑穹顶结构的构造.劲性支撑穹顶结构是由上部的预应力空间索网与下部的刚性支撑杆系组成的一种新型预应力空间结构.通过对不同跨度下索穹顶结构的拉索截面和劲性支撑穹顶结构刚性杆截面以及劲性支撑穹顶结构内部拉索与刚性杆截面对比分析,确定了劲性支撑穹顶结构的拓扑形式,验证了劲性支撑穹顶结构的合理性,并探讨了劲性支撑穹顶结构的发展前景与面临的主要技术问题.

劲性支撑穹顶结构静力参数分析

劲性支撑穹顶结构是一种新型的预应力空间结构.其上部为空间索网体系,下部为刚性杆支撑体系.本文分析了劲性支撑穹顶结构在满跨和半跨均布活荷载作用下结构的静力性能,探讨了初始预应力、矢高、跨度和环向等分数等参数对劲性支撑穹顶结构的结构杆件内力和节点位移的影响规律.通过算例分析,得出了劲性支撑穹顶结构具有良好的静力性能.参数分析中得出了许多有意义的结论,并给出了结构参数取值的建议,为劲性支撑穹顶结构的设计和工程应用提供有意义的参考.

劲性支撑穹顶结构风振响应分析

劲性支撑穹顶结构是一种刚柔结合的新型预应力空间结构,具有跨度大、自重轻等特点.利用线性滤波器法中的AR法,结合结构风压谱随高度变化规律,编制了脉动风速时程模拟程序.采用时域分析方法,研究了劲性支撑穹顶结构在水平风和竖向风单独作用及共同作用下的响应,并分析了初始预应力、矢高、跨度及环向等分数对结构风振响应的影响.研究表明,水平风与竖向风共同作用下结构节点位移均值位于两者单独作用于结构时的位移均值之间,预应力对结构风振响应的影响显著,节点位移响应均值随矢高或跨度增加而变大,环向等分数减小会导致结构的竖向位移响应均值及幅值增大.将风振系数进行统计分析,得到了便于工程设计人员应用的风振系数.

劲性支撑穹顶结构施工成形及力学性能试验研究

为研究劲性支撑穹顶结构的施工方法及力学性能,设计了直径为6 m环向8等分的肋环型劲性支撑穹顶结构模型。采用中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法,分别对有临时支撑和无临时支撑两种情况下结构的施工成形过程进行施工试验和监测,并对其进行施工成形分析;对8个方向、4个方向和2个方向的对称张拉方案进行研究;进行了满跨和半跨的静力加载试验,并与有限元分析结果进行对比。结果表明:提出的施工方法充分考虑了劲性支撑穹顶结构的特点,简单高效,可应用于实际工程;设临时支撑和不设临时支撑结构模型的杆件内力和节点坐标的有限元动力松弛(FEDR)法计算结果和试验值吻合较好;不同张拉方案试验值和FEDR法计算值相差均在7.8%以内,因此可依据实际工程的需要,选取适当的对称张拉方案;有限元分析结果与静力试验结果基本吻合。

劲性支撑穹顶结构设计施工一体化分析

劲性支撑穹顶结构是一种新型的预应力空间结构,上层为索网体系,下部为刚性杆支撑体系,除撑杆外均为高强钢拉杆。从工程应用的角度,提出劲性支撑穹顶结构的设计施工一体化分析方法和步骤,并指出其中的关键问题。指出几何形状确定的关键参数是跨度、矢高、环向等分数、径向分格数以及节点坐标,依据工程实际、相关规范以及高强度钢拉杆材料的具体要求,确定各参数。并给出一种新型的撑杆下节点及关键参数的确定方法、中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法和安装步骤。最后应用FEDR(finite element dynamic relaxation)法对施工过程进行成形分析。研究成果可为劲性支撑穹顶结构工程实际的设计与施工提供必要的理论参考。

劲性支撑穹顶索膜结构模态特性试验研究

结构的模态特性是其本身固有的极其重要的力学性能,是结构动力分析的基础.准确把握结构的模态特性还能避免结构在动力荷载作用下发生共振的危险.对跨度为6m的劲性支撑穹顶索膜结构模型进行了模态特性的试验与理论对比分析,并分析了全跨荷载、半跨荷载及初始预应力等参数改变对结构振动频率的影响.研究表明：结构自振频率的理论值与试验值吻合较好,两者变化趋势基本一致;结构阻尼比在0.008~0.02范围内;荷载作用使结构低阶和高阶频率均减小,而高阶频率变化趋势更明显;预应力增加使结构自振频率增加,且高阶频率增加较快.