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大跨度拱支结构力学性能与施工技术研究

刘永建  
【摘要】:随着国家经济的飞速发展和大型社会文化体育活动的举办,社会对大跨度空间的需求越来越多,在此背景下,大跨度建筑结构的建造技术得到了快速的发展和提高。大跨度建筑结构形式是大跨度建筑结构建造技术的核心之一,近年来,国内外学者为提高结构的跨越能力和经济性能,提出了多种新型的大跨度建筑结构形式,如张弦结构体系、索穹顶结构、索膜结构、斜拉结构、拱支结构等。本文针对其中的拱支结构体系,对其结构组成、分类、静动力性能、非均匀温度效应、旋转滑移施工技术等方面,对其进行了系统的分析研究。 首先对拱支结构中的核心组成部分之一钢拱进行了分类总结,在分类总结的基础上,对钢拱结构的结构形式进行了创新,提出了悬索-拱预应力复合结构和拉-撑预应力复合索拱结构两种新型的钢拱结构形式。在对拱支结构进行分类总结的基础上,对典型的拱支结构形式—弦支穹顶叠合拱结构在不同工况组合下的结构性能进行了分析研究,得出对于拱支结构,太阳强烈作用下的非均匀温度作用对结构的杆件内力和节点位移有较大的影响,需要进一步的详细分析。 以山东茌平体育馆弦支穹顶叠合拱结构和锦州体育场拱支挑篷结构为例,对太阳强烈辐射作用下拱支结构的温度场以及温度效应进行了分析研究,发现太阳强烈辐射对结构的温度场以及温度效应有显著的影响,在今后设计类似结构时需做具体分析。另外针对目前常用的被动合拢施工控制方法,提出了一种主动合拢施工的控制思路。 以山东茌平体育馆的弦支穹顶叠合拱结构为例,对大跨度拱支结构的风振效应和地震行波效应进行了分析研究,得出:1)弦支穹顶叠合拱结构的节点风振系数分布范围为1.0~1.4,其中位于弦支穹顶中上部单层网壳结构上的节点的风振系数一般在1.0~1.2之间,室外钢拱上的风振系数在1.1~1.3之间,略高于下部单层网壳结构的风振系数,整个弦支穹顶叠合拱结构的平均风振系数为1.12;2)多点地震激励作用下,室外钢拱与下部弦支穹顶结构中网壳相连接节点附近的杆件和支座附近的应力峰值较大,地震的行波效应影响系数最为明显,在设计时要注意。而且,地震行波效应随着地震波速的增加而显著降低。 对大跨度钢结构旋转滑移施工整体技术进行了分析研究,对旋转滑移施工中的施工力学分析计算、机械及设备选型、滑移装置系统、施工监测以及安全保证技术等方便给出了详细的规定和原则,相关成果已编入河北省工程建设标准《大跨度空间钢结构滑移法施工技术规程》。 以内蒙古鄂尔多斯游泳馆拱支结构为背景,制作了1:100的结构模型,验证了旋转滑移施工技术在拱支结构施工中的可行性和优越性。 结合鄂尔多斯机场改扩建项目中的空间桁架结构,分析了结构在胎架旋转滑移法的不同阶段,结构的挠度及内力变化情况;对比了单元生死法计算结果与分块计算结果;比较了施工过程中,铰支和固支对结构挠度和内力的影响,对工程实践具有一定的指导意义。 本文通过对大跨度拱支结构力学性能和施工技术的系统研究,得到了拱支结构的静动力特性、非均匀温度效应机理以及旋转滑移施工技术,可为今后结构的合理设计和施工提供技术参考。


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