Geiger型索穹顶的优化设计

基于平衡矩阵理论,采用MATLAB软件,对索穹顶进行自应力模态分析,得到索穹顶的初始预应力.采用Hooke-jeeves,Pointer与NSGA II等优化算法,利用ISIGHT集成ANSYS有限元软件,对索穹顶的整体预应力水平与总重量进行优化设计.优化结果表明,索穹顶的整体预应力水平与总重量在满足设计的条件下,得到较为明显的降低,多目标函数优化结果比单目标函数优化结果更好,可为工程设计提供参考依据.     

索穹顶的新形式及力学计算

索穹顶结构是张拉整体思想下产生的新的结构形式,目前应用较多的主要只有Levy型和Geiger型两种形式,但是索穹顶的形式是具有多变性的,本文首先介绍四种新形式索穹顶来说明索穹顶在平面立面上的形式变化,并通过ANSYS软件对四种新形式索穹顶进行初始预应力计算和模态确定,最后说明四种新形式的索穹顶的可行性。     

基于线性调整理论分析Levy型索穹顶体系初始预应力及结构特性

提出一种应用线性调整理论求索杆体系初始预应力的方法.该方法可以在不考虑结构刚度的前提下,求解多自应力模态索杆体系的初始预应力.而且大大简化了计算工作量.将该方法应用于求解Levy型索穹顶体系的初始预应力问题,并在此基础上分析了该体系的结构特性.结果表明,运用该方法可以求解Levy型索穹顶体系的初始预应力,而且结构特性分析对今后的结构设计具有一定的指导意义.     

弦支穹顶结构形态分析与施工控制

为了解决多索预应力结构在找力与找形分析中需多次迭代而导致效率低下的问题,进一步改进该类结构的分析方法,采用理论推导与数值计算相结合的方法,对弦支穹顶结构找力分析过程中的迭代格式进行改进,提出改进的找力分析方法.并以此为基础更新找力加找形分析方法,给出完整的计算流程,得到弦支穹顶结构的零状态几何、拉索下料长度以及与之相对应的初始应变.基于ANSYS软件中的APDL语言编制计算模块,通过两个算例,验证本文计算方法的正确性与精确性.本文方法亦可用于预应力结构施工全过程的模拟计算.     

索桁张拉结构形状设计及找力分析

为研究索桁张拉结构的形状判定和自应力求解问题,通过ANSYS有限元软件,提出了基于合理位形改进的力迭代法.首先,基于索桁张拉结构所特有的拓扑关系,从其合理位形出发,推导了形状判定的简洁判断公式.然后,提出了改进的力迭代法,用以求解索桁张拉结构的自应力模态.迭代过程中,更新后的索力逐渐逼近目标值,并在目标预应力作用下得到结构的不平衡位移.算例结果表明,所提方法可一次性确定索桁架的合理形状,且迭代5次左右便可求得结构的自应力模态,所得结果与已有方法的结果相比最大误差为0.48%,满足精度要求.将基于平面索桁架得到的自应力模态代入空间索桁张拉结构中,计算结果接近,内力最大误差为0.030%,且不平衡位移较小,从而证明了由平面索桁架组装成空间索桁张拉结构的可行性.     

弦支穹顶结构预应力张拉摩擦损失影响分析

弦支穹顶结构采用张拉环索方式施加预应力时,在索撑节点处因滑移摩擦产生预应力损失值大小的确定是结构成形理论中重要内容之一.以河北北方学院体育馆弦支穹顶屋盖为研究对象,基于改进的冷冻升温环索预应力摩擦损失算法,建立索撑节点摩擦因数为0.03、0.1、0.2、0.3、0.4的5种计算模型,探究索撑节点滑移摩擦大小对弦支穹顶结构内力及变形等参数的影响.研究结果表明:弦支穹顶结构张拉全过程中,取5种不同摩擦因数时各圈环索预应力变化趋势基本一致;结构第1~2两内圈环索因相邻索段间夹角较小使得索撑节点处滑移摩擦力增加,导致索撑节点平均预应力损失分别高达20.50%、15.19%,此值均大于取相同摩擦因数时的3~5圈环索;下部索撑体系的撑杆和拉杆最大应力随摩擦因数增加均逐渐增大且皆出现在屋盖短轴两端;索撑节点摩擦因数取值大小不影响上部网壳竖向位移分布规律,且对网壳下凹和上凸最大位移值影响很小;上部网壳采用类圆角矩形拓扑结构导致网壳节点竖向位移在张拉过程中,位于第3圈环索以内沿环向和径向上凸且呈均匀对称发展,周边支座至第3圈环索区域的网壳节点位移由长、短轴两端上凸向45°方向逐渐凹陷.     

索穹顶结构索杆破断的敏感性分析

提出了基于应变能的索穹顶结构索杆破断敏感性分析方法及其指标,给出了敏感性系数的定义,即索杆破断后振动过程中结构总应变能变化幅值与索杆破断前平衡态结构总应变能的比值.以此系数作为评价结构对索杆破断敏感性的整体指标,将其应用于Levy型索穹顶结构索杆破断的敏感性分析,并与其他方法及指标进行了对比.结果表明:Levy型索穹顶对环索和中心撑杆的破断最为敏感,其中最外圈环索破断对应的敏感性系数最大,因此应着重提高环索和中心撑杆的安全储备;文中提出的评价指标对柔性索穹顶结构较为适用,能够从宏观上表征结构对索杆破断的敏感程度.     

Geiger型索穹顶的静力性能分析

针对Geiger型索穹顶的静力性能,采用ANSYS软件,根据试验过程,建立了索穹顶有限元模型,并对其进行验证.利用该建模方法,建立了直径为100m的大跨度模型,对其加载进行全过程力学分析.改变索穹顶结构的主要参数(初始预应力、高度、横截面积等),探讨了不同参数对静力性能的影响.研究表明:索穹顶由于预应力损失,结构存在一个失效荷载.当结构参数发生改变时,对应的失效荷载与挠度也随着有相应的变化.     

马鞍形边界刚性屋面椭球形索穹顶受力性能分析

天津理工大学体育馆屋盖采用马鞍形边界刚性屋面椭球形索穹顶结构,本文以此为工程背景分析了屋盖在全跨均布荷载和半跨均布荷载下的受力特点,得到了位移和内力.考虑屋面系统后结构的刚度有较大提高,刚性屋面索穹顶结构设计中需要考虑屋面系统的作用.对预应力水平、水平支承刚度和撑杆高度进行了参数分析,结果表明:几何刚度对刚性屋面索穹顶整体刚度的影响小于对纯索穹顶的影响;撑杆高度对结构刚度的提高作用大于预应力水平的作用,实际工程中应优先采用提高撑杆高度的方式来提高结构刚度,在满足结构需求的条件下预应力应尽量小;边界刚度对索穹顶结构性能有较大影响,环梁边界的刚度无法达到3向铰接,结构的设计计算中应考虑弹性边界.     

双V形三维构件张拉结构的矩阵分析与预应力优化研究

张拉结构是由不连续的受压构件和连续的受拉绳索组成的特殊结构体系,含有三维受压构件的张拉结构利用三维受压构件代替一维杆,增加了结构的稳定性与可控制性,是张拉结构发展的新趋势.利用取自正四面体四条斜边组成的双V形受压构件,以及纵向和环向绳索制得张拉整体结构模型,并用矩阵平衡法进行分析.建立矩阵时将传统杆索结构中只考虑杆轴向压力的平衡矩阵扩展到考虑三维构件弯曲的空间铰接体系复合平衡矩阵;再根据平衡矩阵理论以及奇异值分解理论得到该模型的自应力模态.在优化过程中,绳索受拉条件与力的均匀性作为优化目标,运用人工鱼群算法对构件预应力进行优化.结果证明结构的稳定性良好,绳索与受压构件拉压合理,以及对不同类别预应力分别进行均匀性优化的结果更好更具有针对性.     

无粘结预应力混凝土结构开裂后的弯曲分析

本文建立了无粘结预应力混凝土结构开裂后弯曲计算的计算机方法。应用本方法不但能求得在破坏状态的预应力钢索的应力增大值，而且可以计算在使用状态不同应力度下的预应力钢索应 力增大值以及混凝土与钢盘的应力。     

Levy型劲性支撑穹顶自振特性试验

劲性支撑穹顶结构是近年来在索穹顶结构的基础上提出来的一种新型结构体系,它把索穹顶结构下部的拉索全部用高强钢拉杆代替,既保留了索穹顶结构造型美观、构造轻盈等优点,同时又解决了柔性索穹顶在张拉成形过程中杆件定位难且由于无预应力而导致的无整体刚度的问题.为研究Levy型劲性支撑穹顶结构的自振特性,本文设计了一个6 m跨度的Levy型劲性支撑穹顶结构,并在试验场地张拉成型,同时测得实际内力与设计内力误差基本在1%以内.以这个试验模型为研究对象,采用激振器正弦激励法测定了该结构在初始预应力、满跨荷载以及半跨荷载3种荷载状态下的自振特性,得到了该结构在不同荷载状态下自振特性的变化规律.结果表明:该Levy型劲性支撑穹顶自振频率均较为密集,与索穹顶结构相似,验证了劲性支撑穹顶结构张拉成型的可能性与体系的合理性;不同状态下该Levy型劲性支撑穹顶自振频率理论值与试验值误差较小,均在±6%以内;在全跨荷载和半跨荷载分别作用下,低阶频率随荷载增加而增大,高阶频率随荷载增加反而有一定的降低趋势;该Levy型劲性支撑穹顶结构阻尼比基本在0.0081～0.0132之间,建议具有与该Levy型劲性支撑穹顶试验模型相似结构形式的Levy型劲性支撑穹顶在实际动力响应分析过程中阻尼比取0.01.     

索穹顶结构多目标形状优化设计

为了得到指定结构跨度下的索穹顶结构形状最优设计方案,对设内拉环的Geiger型索穹顶进行单目标和多目标形状优化设计.以最小单位面积用钢量和最大结构刚度为目标函数,得到满足约束条件的整体预应力系数、拉索和压杆截面面积及结构形状参数的最优值.通过基于遗传算法的单目标形状优化设计以最小单位面积用钢量为目标的可行形状优化设计方案;多目标形状优化设计采用改进的带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ),可得到同时考虑结构用钢量和刚度的Pareto最优解.决策者可根据不同控制目标的偏好要求,选择设计方案.     

新型马鞍形索杆张力结构研究

提出一种基于马鞍面的新型索杆张力结构拓扑,结构整体形态更加稳定.进一步对形态分析中的迭代找力方法进行优化改进,在保证计算精度的前提下提高计算效率.应用改进的迭代找力方法对提出的新型马鞍形索杆张力结构进行了预应力设计.对跨度为36 m的马鞍形索杆张力结构进行静动力性能分析,计算结果显示结构在0.8 kg/m2面荷载作用下...     

复合式索穹顶施工误差影响及控制技术研究

以国内首个百米级复合式索穹顶结构为研究对象,分为环梁及拉索的尺寸误差控制、结构安装成型先后顺序、预应力施加方法及张拉批次、施工过程控制与模拟4个方面研究了该工程的施工技术,重点分析了环梁和拉索不同大小的误差量对索穹顶内力的影响程度,并提出相应处理措施.研究结果表明:通过将外脊索和外斜索做成可调索的方式可以消除外环梁施工误差的影响;通过调整拉索现场摆放位置可以减小下料随机误差对索穹顶内力的改变.采用分部提升整体张拉法,避免了构件产生较大位移;分级分批的预应力张拉方式,可以保证施工成型后索力值与设计值的一致性.     

弦支穹顶结构预应力张拉的摩擦损失

为精确研究弦支穹顶预应力张拉施工过程中,索撑节点处滑移摩擦导致的预应力损失问题,基于冷冻一升温法,利用泛函中广义逆的概念,推导了计算弦支穹顶环索预应力滑移摩擦损失的迭代算法,研究了索撑节点处的滑移摩擦对弦支穹项结构预应力分布的影响,提出通过减小索撑节点滑移摩擦系数、多点张拉和超张拉等措施来减小预应力摩擦损失,算例表明该方法可有效模拟弦支穹顶结构的预应力摩擦损失,且所提出的补偿措施可较好解决预应力摩擦损失问题     

滑动环索连接节点在弦支穹顶结构中的应用

提出了弦支穹顶结构滑动环索节点的连接方式 ,应用冷冻升温结构分析方法研究其受力性能 ,并与非滑动环索连接节点的计算结果进行对比 .计算结果表明 ,当结构承受半 (偏 )跨荷载时 ,滑动环索的连接方式对上部网壳结构的受力性能几乎没有影响 ,但却可以大大降低环索、斜索和撑杆的内力幅值 ,使其均衡 ,极大地改善弦支穹顶结构的受力性能     

弦支穹顶局部环索断索动力冲击效应试验

针对弦支穹顶结构在使用过程中可能遇到的环索断索问题,对弦支穹顶模型开展了局部环索断索动力冲击效应试验.通过对比环索不同初始预应力和不同索撑节点约束条件下的断索动力冲击效应,得到了局部环索断索对结构杆件内力和位移的影响及其规律.试验结果表明:断索点附近的杆件受到断索的影响会发生一定的运动和震荡,其内力也会发生波动,且索力越大、节点约束越弱,波动幅度越大;当索撑节点处无约束时,局部断索会引起结构整体的剧烈震动,且拉索在索撑节点处会发生较大的滑移,造成整圈环索内力大幅降低,严重影响结构安全;对于弦支穹顶结构,杆件内力的动力放大系数与结构杆件类型、位置、环索初始预应力水平、节点约束等均有关,需通过试验研究或动力分析等方法来准确获得.     

大跨度Kiewitt型弦支穹顶结构的自振特性分析

弦支穹顶结构是由单层球面网壳和下部张拉体系组合而成的一种新型的空间结构体系,以120m跨度K8型弦支穹顶结构为例,采用分块兰索斯(Lanczos)法对其自振特性进行了分析,分析时考虑拉索预应力、撑杆高度、结构跨度和荷载等4个因素对结构自振频率的影响。结果表明:当拉索预应力增大到一定程度,再增加预应力对结构的自振频率影响有限;结构自振频率随着撑杆高度的增加而增大;小跨度弦支穹顶与单层网壳自振模态相当接近,但大跨度弦支穹顶与同等跨度下的单层网壳自振模态明显不同。     

大跨度 Kiewitt 型弦支穹顶结构的自振特性分析

弦支穹顶结构是由单层球面网壳和下部张拉体系组合而成的一种新型的空间结构体系,以120m 跨度 K8型弦支穹顶结构为例,采用分块兰索斯(Lanczos)法对其自振特性进行了分析,分析时考虑拉索预应力、撑杆高度、结构跨度和荷载等4个因素对结构自振频率的影响.结果表明:当拉索预应力增大到一定程度,再增加预应力对结构的自振频率影响有限;结构自振频率随着撑杆高度的增加而增大;小跨度弦支穹顶与单层网壳自振模态相当接近,但大跨度弦支穹顶与同等跨度下的单层网壳自振模态明显不同.