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奥运羽毛球球馆新型弦支穹顶结构抗震性能研究

王冬梅  
【摘要】: 弦支穹顶是一种新颖的预应力钢结构体系,索撑体系的引入有效地降低了结构的位移与内力,减小了对支座的水平推力,提高了结构整体的稳定性。本文针对大跨度弦支穹顶结构抗震研究的空白点,结合奥运会羽毛球馆新型弦支穹顶结构工程实际,对其进行了深入地分析,采用理论研究与试验验证相结合的方法,系统研究了地震波加速度峰值大小,地震动的多维输入、地震波的行波效应及预应力损失等条件,对结构抗震性能的影响。 创新了弦支穹顶结构可调节撑杆节点,该节点在试验模型与奥运羽毛球馆工程实践中得到应用。本文依照2008奥运羽毛球馆的设计图纸,制作了1:10的缩尺试验模型,使用三种方法测定了带悬挑部分与不带悬挑部分两个模型的动力特性,测得了多阶自振频率、振型、阻尼比,理论计算与试验结果较为吻合,均表明结构的振型密集,以网壳的竖向振动为主,呈现对称或反对称的扇形分瓣形态。 使用台阵系统完成了弦支穹顶结构模型的振动台试验,地震波的输入方向依次调整为竖直方向、水平方向、水平竖直双方向,选取四组地震波完成了共48组工况的振动台试验,使用时程分析方法进行了相应工况的计算,理论结果与试验结果较为吻合。结构在竖直地震波下的响应结果,多数测点大于水平地震输入,多维地震输入响应结果最大。加速度响应峰值随位置的变化规律主要呈现第一振型形态,位移响应峰值的最大值一般出现在网壳最中心点。当地震波加速度峰值达到8度设防条件罕遇地震水平时,网壳的杆件应变在材料弹性极限范围内,结构具有良好的抗震性能。作为预应力构件的环向索在地震力作用下的响应峰值远小于索的破断力,但动静比较大,地震动发生时,最内圈环索的索力损失较为严重。结构在地震力作用下的响应规律表明:对弦支穹顶结构的抗震计算应以竖直方向为主,同时计入水平方向的影响。 首次在国内试验研究中完成了大跨度空间结构考虑行波效应影响的台阵试验,根据考虑多点输入的时程分析法理论进行了有限元计算分析,结果与试验结论较为吻合,达到了互相验证的目的。试验结果表明不同的地震波传播速度下,同为竖直传播方向,各种地震响应随位置的变化规律受行波效应影响较小,但响应峰值均会产生一定变化。加速度、位移、环向杆件、环向索的内力均随着视波速的减小而增加,而径向杆件则随着视波速的减小而减小。试验结果中在视波速影响下的各种地震响应的变化幅值大于理论计算结果。 利用试验和理论分析两种方法研究了预应力损失对弦支穹顶结构抗震性能的影响。预应力幅值调整为三种情况,地震波的输入方向为竖直和水平竖直双方向,共完成了两组地震波12个工况的振动台试验。各种地震响应随预应力损失在试验中的变化幅值大于理论计算结果,变化趋势无明显统一规律,随预应力损失的增加,响应峰值增大的工况和测点居多。响应峰值随位置的变化规律几乎不受预应力损失的影响。作为预应力构件的环向索,随着预应力损失程度的增加,动静比增加幅度较大,试验结果表明索力损失40%,从抗震分析的角度就应该采取补张拉措施以确保结构的安全。 本文研究的成果应用于2008年奥运会羽毛球大跨度预应力钢结构的抗震设计中,为我国建成世界上第一个大跨度新型弦支穹顶结构作出贡献,理论与试验研究能够和重大工程实际合理结合,为此类结构在国内外的推广提供了有效的理论基础和试验依据。


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