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弦支穹顶施工过程中预应力优化设计与试验研究

黄冬明  
【摘要】: 预应力空间钢结构是预应力技术与空间结构体系相结合而衍生出来的新的结构形式,具有良好的受力性能。弦支穹顶结构是近二十年发展起来的新型预应力空间钢结构体系。通过对下弦索施加预应力,使上层网壳产生与荷载作用相反的内力和位移,增强结构的整体稳定性。与索穹顶体系相比,预应力度较低,而且上层网壳本身是超静定结构,存有一定刚度,索预应力的施加相对简单。弦支穹顶结构实际工程少,施工经验不足,针对此结构的施工过程分析和预应力优化十分必要。本文总结了弦支穹顶结构的特点和国内外研究成果。介绍了弦支穹顶结构施工过程中采用的非线性有限元理论和求解方法。以2008年奥运会羽毛球馆工程建设为契机,对大跨度弦支穹顶结构的施工过程进行理论分析和试验研究。 弦支穹顶结构施工成形分析包括找形分析和索张拉过程分析两方面的内容。基于非线性有限元原理,区分结构的初始态、几何零状态和荷载态,指出弦支穹顶的施工过程是结构从几何零状态到初始态的连续变化的过程,采用张力松弛法,通过有限元程序对结构成形过程进行仿真分析。分析了弦支穹顶结构在张拉成形过程中,随着索力的增加而引起的杆件内力、节点位移和不同索之间的预应力变化。 通过对同一结构进行了4种张拉方案的杆件内力和节点位移的比较,分析了不同张拉顺序对结构的影响。得出了上弦杆件内力变化均匀和节点位移较小的预应力张拉方案,在此基础上,考虑施工的难易程度,选取了预应力张拉控制值较小的方案。 在理论分析的基础上,本文对分析模型进行了张拉试验,通过试验结果与理论计算结果两者的对比分析,验证张拉方案的可行性、理论分析方法的正确性及有限元计算的准确性。试验表明,张拉过程中的弦支穹顶结构内力和变形明显不同于使用阶段,设计中应考虑张拉过程结构的最不利受力情况。


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