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弦支穹顶结构施工控制理论分析与试验研究

张国发  
【摘要】: 弦支穹顶结构是由上部单层网壳和下部索杆支承体系构成的大跨预应力杂交结构,由于其造型新颖、结构受力性能优越、施工难度相对较小,得到了国内外工程界的青睐,但在实际工程应用中,在结构设计、施工及使用过程中仍然存在一些问题。为推动该类结构在工程中更好的应用,本文对弦支穹顶结构的预应力水平优化、缺陷状态的预应力调整、施工滑移索的摩擦影响、新型节点设计、模型试验等内容进行了深入的研究。 首先,本文建立了弦支穹顶结构预应力优化数学模型,运用NSGA-Ⅱ优化算法,以各圈环索预应力水平为变量,以各圈环索总预应力水平最低、结构水平径向支反力最小、上部单层网壳杆件轴向应力峰值最小为目标函数,考虑结构强度和挠度限制,对弦支穹顶结构的预应力水平进行多目标优化。揭示了随着各圈环索预应力水平的不同组合,结构各目标函数的变化规律,为工程设计决策提供了依据。 为解决由于构件制作、施工误差与算法误差等原因造成的弦支穹顶结构处于缺陷状态的问题,本文提出了张力修正法和位移补偿计算法两种预应力分析方法。张力修正法是基于力控制的预应力调整方法,而位移补偿计算法是基于变形控制的预应力修正方法。计算结果表明,对施工期或使用期预应力存在较大误差的结构以实测的拉索预应力值或控制节点坐标为依据,采用本文提出的两种分析方法得到的预应力修正控制值,可有序、简捷、准确的对结构缺陷状态的预应力进行调整,使结构达到设计状态或满足施工精度要求。 本文提出了一种基于结构性能分析的弦支穹顶结构缺陷状态预应力调整的方法,先考虑拉索预应力误差、节点位置偏差等结构缺陷状态的误差因素,对结构静力、动力、稳定性能进行敏感性分析,再以敏感性分析的结果为依据,运用层次分析法确定结构误差因素的权重,最后运用遗传算法对结构缺陷状态进行预应力调整优化,得到使结构性能最优的预应力调整方案。 为解决模拟考虑摩擦影响的连续索在节点处滑移问题,本文提出了变索原长法,先不考虑结构变形协调,使索在节点处发生滑移,根据力学平衡条件及滑移区段索原长不变的原则可求得每段索滑移平衡后的索原长,把新的索原长代入后再对结构进行变形协调计算,从而完成索段的一次滑移计算。研究结果表明,变索原长法可用于模拟考虑摩擦影响的索滑移问题,且计算方便快捷。 本文对考虑施工滑移索摩擦影响的葵花型弦支穹顶结构性能进行了研究,分析了结构静力、动力及稳定性能,并提出了两种新型节点形式。计算结果表明,环索与节点间的摩擦会导致结构环索及斜索张力重分布,致使同圈索力分布不均匀,使部分网壳杆件轴向应力和节点位移增大,对结构的静力性能影响最大,而对动力和稳定性能基本没有影响。 最后,以一实际工程为背景,制作了跨度为8m的弦支穹顶结构缩尺模型,并设计、制作了传统节点和新型节点两种节点模型。对采用两种节点形式的结构模型进行了环索张拉成型、满跨加载、半跨加载及环索超张拉试验。试验表明,由于环索与节点间存在摩擦,使得各工况下结构各圈环索和斜索张力分布不均匀;与传统节点相比,采用新型节点的结构环索与节点间的摩擦大幅降低,环索预应力损失较小,预应力传递效率更高。与此同时,通过试验验证了本文提出的变索原长法的正确性。


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