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大跨度环形空腹索桁结构体系的理论和实验研究

冯庆兴  
【摘要】: 大跨度环形空腹索桁结构体系是继承于索穹顶结构、近年来才出现并应用于实际工程的新型结构体系,具有显著的特点,特别适合应用于体育场的罩棚结构。国外对它的研究很少,国内更是一片空白。随着中国体育事业的发展,必然需要更多的体育场馆。本文从理论和实验两个方面对这一结构体系进行了一些探讨,主要深入研究了其动静力性能,旨在为该类结构体系早日应用于国内体育场作抛砖引玉之贡献。 首先,在大量查阅国内外文献的基础上,本文回顾了张拉整体以及索穹顶结构的发展历史,阐述了大跨索桁结构在建筑和结构上的特点,介绍了几项典型的工程。在综述国内外关于此类结构(主要是索穹顶结构)的研究现状后,提出了本文的研究内容。 由于此类结构体系是一种自平衡体系,在分析其力学性能之前必须先知道其自应力分布。本文从Pellegrino提出的奇异值分解法出发,利用自行开发的程序,求解了几种典型的大跨度空腹索桁结构的自应力模态。受计算结果的启发,推导了结构中单榀之间桅杆内力与其长度之间的关系。并证明对于沿水平轴不对称的结构,当环索水平时,各桅杆被水平轴划分的上下部分必须满足同样的比例关系。 本文利用通用有限元软件ANSYS对大跨度环形空腹索桁结构体系中三种典型的结构(即内外圈都为圆形、外圈圆形内圈椭圆形、内外圈都为椭圆形的三种外形的结构)进行了几何非线性分析,总结出各自在不同荷载工况下的静力性能,并提出一些有实际工程意义的建议。 在初步了解了结构体系的静力特性的基础上,本文对结构进行了静力性能的参数分析。分析讨论了结构体系在不同桁架榀数、不同桁架高度、不同桅杆高度比值、不同边界约束以及不同预应力水平下,结构在不同荷载工况下的静力反应。着重研究了结构在不同桅杆高度比值以及不同预应力水平下的静力性能,通过分析比较给出有实际意义的结论。 针对目前关于索在结构中的作用以及索中预应力的增加对结构刚度的影响到底如何等讨论,本文从能量守恒原理出发,从理论上推导证明了在线弹性范围内,结构的刚度随预应力的加大而提高这一重要结论。 在深入了解了结构体系的静力性能后,本文讨论了结构的最优体系,提出了一些建议,开创性地提出了类似Levy索穹顶结构的环形索桁体系,并通过计算分析证明其有卓越的力学性能。 本文通过5个算例分析了大跨度环形空腹索桁结构体系的自振特性,并对其自振特性进行了参数分析,结果表明,预应力的增加可以显著提高结构的自振频率,而桅杆高度比值的大小对结构的自振频率影响不大。在对增设了支撑的内外都是圆形的结构进行计算后知道增加支撑可以明显提高结构的侧向刚度。 为了考察结构的抗震性能,本文对不加支撑的内外都是圆形的结构进行了三维地 震作用下的非线性动力响应时程分析。参数分析结果表明,通过调整结构中预应力的 大小来调控结构的抗震性能并不能取得明显有效的结果。本文通过结构动力响应时程 分析阐明作者提出的新型结构体系具有优良的力学性能,值得推广应用。 最后,为了对本结构体系有更直观的感性认识,向时也为了进一步验证理论分析 的正确性,本文对一直径5米、由16榻索析架组成的环形索析结构模型进行了实验研 究。校核了三种预应力水平下的自应力分布,进行了多种预应力水平、多种荷载工 况、多级荷载的静力实验,并测取了结构在三种自应力分布下的前八阶自振频率。实 验结果与理论计算结果吻合良好,说明了模型设计和节点构造的合理性以及计算理论 和方法的正确性。 论文最后对上述研究成果作了总结,分析了论文的不足之处,提出今后亚待解决 的问题和研究的方向。


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