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索穹顶结构多种预应力张拉施工方法的全过程分析

赵宝军  
【摘要】: 索穹顶结构是按照张力集成思想发展出来的一种方兴未艾的结构形式。索穹顶结构由竖杆和拉索组成,依靠连续预应力回路提供的刚度来抵抗外荷载。这种结构形式简化了结构的杆件布置,充分发挥了材料特性。同时,辅助以膜材为主的覆盖材料,索穹顶结构具有自重轻,跨度大及建筑造型简洁自由等特点。自1988年首尔奥运会体育馆首次采用索穹顶结构后,不同形式,不同跨度的索穹顶工程不断建成。经过这些实际工程的检验和技术积累,索穹顶结构在设计计算分析,施工技术等方面都取得了长足的进步。目前国际上已经建成的索穹顶工程基本分为两种形式:Geiger型和Levy型。Geiger型索穹顶索杆辐射状布置,但平面外稳定性不足;Levy型索穹顶采用葵花型索杆布置方式,增强了结构的稳定性。由于国内无索穹顶结构工程应用,目前对索穹顶结构的研究主要集中在理论计算,结构性能分析等方面。有关索穹顶工程施工技术和施工张拉全过程的分析研究比较分散,不够系统,有些方法引入了值得商榷的假定,需进一步研究。本文在广泛查阅现有资料的基础上,系统地提出了可用于索穹顶结构施工张拉的九种方法。并以某体育馆的索穹顶结构方案为背景,采用动力松弛法对各种预应力张拉方法进行了全过程分析,为实际工程的施工张拉提供了可靠的理论支持。 本文第一章在查阅大量国内外相关文献的基础上,介绍了张力集成体系及索穹顶结构的发展历史,工程应用以及研究现状等,同时确定了本文的主要研究内容。 第二章主要研究了索穹顶结构的形态分析。分析了空间索杆体系的不同分类,推导了索、杆单元的计算方程。利用二次奇异值分解法,对索穹顶结构进行整体可行预应力分布求解,确定了结构的预应力分布,为下一步施工分析提供数据。 第三章首先介绍了目前已经完成的索穹顶工程的一般建筑施工过程。接着介绍了现有的两种关于索穹顶结构施工分析方法:正分析法和反分析法。根据索穹顶结构索杆受力特点,施工张拉杆件及张拉顺序提出九种不同的预应力张拉施工方法。此外还介绍了用于索穹顶结构施工分析的动力松弛法的基本原理及算法。 第四章以某工程的索穹顶设计方案为背景,对该结构进行施工全过程模拟。采用动力松弛法对九种不同的预应力张拉方案分别进行计算,得到在不同张拉阶段的节点坐标和构件内力。根据这些施工控制量可以对实际工程预应力张拉施工进行位移、内力双控制,以此保证施工精度和质量。 第五章是编制了相关程序对施工张拉全过程分析的计算结果数据进行处理,通过二维和三维的结构施工示意图展示九种不同施工张拉过程,实现施工过程各阶段可视化,从而直观地模拟各种施工方法过程中的结构形态。 第六章对本文的研究内容及成果进行总结,并指出了今后的研究方向。


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