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鸟巢型索穹顶结构的理论分析与试验研究

包红泽  
【摘要】: 索穹顶结构主要是由拉索和压杆所组成的柔性张拉整体结构,依靠施加预应力提供结构刚度,且具有重量轻、跨度大及建筑形态丰富多样等特点,是代表了大跨空间结构较高水平的结构形式。目前国内外研究的索穹顶结构形式主要有:Geiger型和Levy型两种,且国际上已在工程中应用,积累了较丰富的理论及实践经验。本文所研究的鸟巢型索穹顶结构,是一种特殊形态的索穹顶结构形式,目前未有相关研究文献记载。本文将结合鸟巢型索穹顶结构的形态构成,从理论和试验两方面,对其初始预应力分布、静动力特性、地震响应分析、施工成形方法等进行了系统研究和深入分析,最后设计加工了模型,进行试验验证。 首先,本文在查阅国内外相关文献的基础上,回顾了索穹顶结构的发展历史、工程实践应用、国内外主要的研究现状,结合鸟巢型索穹顶结构的特点,明确了本文的主要研究内容。 第二章分析了鸟巢型索穹顶结构的几何构成特点,提出了除不跳格布置结构形式外,还可根据受力特性的要求跳格设置环索及竖杆,即跳格布置结构形式,由此可调节网格布置的疏密度,并优化杆件内力分布。在此基础上提出了初始预应力分布的简捷计算方法,推导了预应力显示表达式。通过算例计算并与电算结果的对照分析,表明该方法是精确、可行的,既可方便有效应用于工程实践,又可作为理论分析的有益补充。 鸟巢型索穹顶结构的静力性能分析是研究、评价结构体系性能的重要内容和基础。本文第三章就鸟巢型索穹顶结构跳格布置与不跳格布置两种形式,对索杆构件在满跨荷载、半跨荷载作用下的受力及变位进行了分析研究,同时考虑预应力变化对受力性能的影响。 第四章分析研究了鸟巢型索穹顶结构跳格布置与不跳格布置结构的自振频率及振型分布特点,同时就体系的预应力水平及环索截面大小对动力性能的影响也做了计算与分析,研究表明体系整体刚度良好,跳格布置较之不跳格布置结构刚度有所减弱。 第五章对鸟巢型索穹顶结构跳格布置与不跳格布置两种形式的地震响应,包括构件的内力和节点的变位作了时程分析研究,同时分析了预应力对结构抗震性能的影响,研究表明结构整体抗震性能良好。 索穹顶结构的施工张拉成形是决定结构体系受力性能的重要环节之一,本文第六章采用动力松弛法对鸟巢型索穹顶结构的多种张拉成形方法进行了详细探讨与研究,对施工过程进行了跟踪和模拟,分析了各施工成形方法的特点。 第七章结合本文的理论研究设计加工了直径为5.0米的鸟巢型索穹顶结构模型,通过测试结构的预应力分布、在多种荷载工况作用下的响应分析、多种预应力状态下的自振频率测试,同时模拟了施工成形方法,通过模型试验的测试分析验证了理论研究的正确性,且分析说明了产生试验误差的原因。 论文最后对本文的研究成果进行了总结,并提出了今后的研究方向。


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