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基于频率的索杆张力结构构件重要性分析方法

王功文  
【摘要】:索杆张力结构具有自重轻、材料利用率高且跨越能力强等特点,近年来被广泛应用于大跨度的体育场馆、会展中心等建筑中。索杆张力结构是柔性结构体系的一种,按传统的几何组成分析,该类结构通常为静定结构甚至几何可变结构,预应力刚化才使其成为稳定、可承受荷载的结构体系,因此索杆张力结构也同时具有冗余度低、易损性强的特点。为了保证结构在突发状况(如恐怖袭击、爆炸等)下的安全,准确评估结构中不同构件的重要性程度,并对其中的关键构件采取一定重要性弱化措施,改善结构鲁棒性,对该类结构具有十分重要的意义。同时由于柔性结构的特殊性,刚性结构的构件重要性分析方法对柔性结构并不完全适用,本文针对索杆张力结构采用了以结构自振频率为切入点的构件重要性研究思路。首先,本文在参考大量文献的基础上,概述了索杆张力结构的特点及工程应用情况,总结了国内外构件重要性研究方法的优、缺点及适用范围,基于柔性结构特点采用了以结构自振频率为切入点的构件重要性分析思路。其次,引述了前人的研究成果,并对其中与本研究相关的内容进行了重点阐述,主要是关于索杆张力结构各阶圆频率与结构刚度投影值之间关系的描述。然后,本文推导了基于结构自振频率的构件重要性系数计算公式,该公式以构件损伤后结构自振频率的下降率作为构件的重要性评价指标,同时由于“概念移除”法用于柔性结构构件重要性分析的局限性,本文引用了刚度折减的概念,避免了直接“移除”构件而导致的计算不收敛。接着,通过索网结构、索穹顶结构和塔式张拉整体结构三个计算算例验证了该公式的适用性及合理性。最后,本文结合一个车辐式大跨度张拉结构工程,分析了该结构的自振特性,研究了预应力度对结构自振频率的影响;利用本文公式对该结构进行了构件重要性分析,指出环索为该结构中的关键构件;运用关键构件重要性弱化的概念,通过分索法对环索进行了重要性弱化,并且评估了重要性弱化效果。计算结果表明分索法能够有效降低关键构件的重要性程度,同时本文提出的构件重要性定量计算公式能够对分索效果进行有效评估,在工程中可为确定分索的根数提供参考。


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