大跨度张弦桁架预应力张拉控制研究

应用有限元软件ANSYS，通过对模拟千斤顶升温的模拟千斤顶法实现拉索预应力，提出了张弦桁架预应力的实用确定方法．将使用状态下计算得到的千斤顶温度荷载加到施工状态的计算模型即可求出施工需控制的索力、控制点位移．二次张拉需考虑张拉对相邻桁架的影响，施工控制难度大，本文结合哈尔滨会展体育中心支座跨度128m的超大跨度预应力张弦桁架结构的深化设计计算，提出了单榀张弦桁架下弦拉索胎架一次张拉法施工方法，通过对张拉阶段胎架与张弦桁架间摩擦力的计算研究，定量索力下跨中位移法考虑摩擦力影响，以跨中竖向位移作为预应力张拉的主要控制指标，成功地完成了该工程预应力张拉施工．     

环形辐射状预应力张弦梁钢屋盖张拉优化

为确定结构的刚度特征及各榀张弦梁下弦拉索之间索力影响关系,采用了传统的顺序张拉法对某体育馆环形辐射状预应力张弦梁钢屋盖进行了分析.结果表明该结构较柔,导致了各拉索之间索力影响较大.根据该结论,按照对称均匀的原则选取了3种张拉方案,即一阶段张拉、两阶段张拉及三阶段张拉,运用逆向分析思路对下弦拉索进行虚拟张拉的对比仿真分析,分析过程中对拉索索力及结构位移进行了全过程的动态追踪,得出方案三为最优方案,并指出对于柔性预应力钢结构应采用逆向分析思路进行仿真分析,确定合理的张拉顺序及张拉级别有利于结构的受力与变形,并保证施工阶段结构的可靠度.     

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     

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.     

基于向量式有限元的大跨度钢结构施工力学分析方法

针对大跨度钢结构施工容易产生刚体位移等强烈非线性过程的特点,采用向量式有限元分析方法进行施工过程模拟.基于向量式有限元的基本理论,引入张拉索单元,通过控制张拉索单元的原长,实现大跨度预应力钢结构张拉全过程模拟;引入千斤顶单元,实现大跨度钢结构的脱架模拟.在此基础上,利用MATLAB语言编制了基于向量式有限元理论的施工过程分析程序,并通过悬臂梁拼装、索桁架张拉成形以及大跨度张弦桁架的张拉施工过程模拟分析,与传统分析方法进行比较,验证理论推导和自编程序的正确性与有效性.结果表明,采用基于向量式有限元的施工力学分析方法能够准确模拟结构拼装、预应力张拉成形和结构脱架等施工过程.     

弦支穹顶结构的自振特性及地震响应分析

弦支穹顶结构是基于张拉整体思想和单层球面网壳技术的一种新型复合空间结构体系,为了研究弦支穹顶的自振特性和地震响应,采用有限元软件,对结构的矢跨比、撑杆高度、环索布置方式和预应力大小等进行了参数分析,并对单层网壳和两种不同布索形式的弦支穹顶结构进行了El Centro波地震响应对比分析。结果表明:矢跨比和撑杆高度对结构自振特性影响较大,而拉索预应力大小对结构影响较小。支座的弹簧刚度对弦支穹顶的高阶频率的影响不及对基频的影响,当弹簧刚度较小时,其对结构基频的影响基本上是线性的;刚度较大时,对基频的影响很小。在固定铰支承条件下,与单层网壳结构相比,弦支穹顶不能减小地震产生的结构位移的振幅。弦支穹顶结构整体内力值偏大,在布索层数相近的情况下,不同的弦支穹顶的撑杆和拉索的内力变化趋势和数值相近。     

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。     

京沪高速铁路矮塔斜拉桥拉索施工中的索力控制

研究目的在矮塔斜拉桥施工过程中,拉索的索力控制至关重要。为保证京沪高速铁路工程天津枢纽津沪联络线斜拉桥索力张拉施工的顺利进行,本文采用了修正的索力计算公式、影响矩阵法两种理论计算方法指导斜拉索的初张拉、终张拉。研究结论实践证明,理论计算方法科学、合理,计算值与实测值之间的误差控制在±5%以内,且满足索力控制要求,对类似结构的施工及过程控制有着较大的借鉴作用。     

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.     

等效预张力大跨度弦支穹顶预应力施工过程的正算法

为了准确模拟大跨度弦支穹顶预应力施工过程,建立符合实际施工顺序的结构施工初始态,对预应力施工过程的力学分析方法进行了研究.根据工程实践,总结了大跨度弦支穹顶预应力施工过程的特点,分析了状态变量叠加法、反分析法、生死单元法在其应用上的不足.结合非线性有限元分析方法,凝练了基于等效预张力的预应力施工过程正算法,并给出了具体的实施方法和步骤.以常州体育馆钢屋盖工程为算例,验证了正算法用于预应力施工过程力学分析的可行性和适用性.最后指出,基于等效预张力的正算法预应力施工过程力学分析,综合考虑了支撑与刚构的非线性接触、索力的相互影响、施工临时结构体系的转换、结构几何非线性等施工多因素耦合效应,能够准确跟踪结构在各施工阶段的状态.     

基于温度补偿的索张力补张拉修正算法

针对大型复杂预应力空间钢结构施工过程中实测索力与目标索力存在较大差值的问题,在已有研究的基础上,基于温度补偿法并结合找形分析算法,提出了补张拉索力修正的计算策略以及数值计算流程.基于ANSYS软件平台,采用初始应变输入与施加温度荷载输入相结合的方法,编制了补张拉索力修正计算模块,用于施工过程中主动索补张拉的修正计算.该修正计算方法可考虑几何非线性、弹性预应力损失以及群索在张拉过程中的相互影响等因素,能保证补张拉过程符合施工和设计对索力精度的要求,可直接用于指导施工过程补张拉,追踪构件在张拉过程中的力学响应.算例结果表明,该方法是用于实际工程预应力补张拉计算的一个实用而有效的方法.     

基于双控法弦支穹顶伺服施工过程非线性分析

基于结构几何非线性有限元法,推导了弦支穹顶结构施工过程的非线性有限元分析格式,同时针对索撑节点摩阻力对结构的真实影响,分析了索撑节点摩阻力对结构非线性刚度矩阵形成的修正算法,进而提出了可考虑索撑节点摩阻力的基于对外形和索力双控的伺服施工过程方法,并编制了相应算法.该算法可实现对施工过程的外形和预拉力的双重控制,且施工成形终态可最大精度地获取设计态所需的结构位形和索力.实例分析结果验证了该方法的可行性和精度.该方法对于采用张拉环索法施工的弦支穹顶结构具有一定的普适性.     

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.     

弦支穹顶索撑节点滑移性能试验

为精确研究弦支穹顶索撑节点对拉索的约束性能,以某在建的弦支穹顶钢屋盖为例,采用试验方法,对索撑节点的滑移性能进行了足尺模型试验,得到了该类节点的失效和破坏模式。提出了滑移力密度的概念,并用于描述此类节点的滑移性能,获得了拉索在节点中的实测静摩擦系数,并与有限元分析的结果进行对比。针对节点在张拉后对拉索约束力不足的缺点,提出了在节点凹槽内加肋的改进措施,并与未加肋节点的抗滑移性能进行了对比。试验与分析结果表明,密封套筒与插耳造成了约10%的预应力损失,施工中应进行超张拉以补偿这部分损失。原设计节点的破坏模式为拉索从节点中滑出,并伴随有外包PE的损坏,节点的最大实测滑移力为150 kN,滑移力密度为18.3 kN/mm,实测拉索与节点间静摩擦系数为0.24,与有限元分析数据吻合。加肋改进节点最大实测滑移力为240 kN,实测滑移力密度为26 kN/mm,滑移力密度提高了42%,较好地改善了节点对拉索的约束效果,提高了节点的抗滑移性能。     

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.     

钢结构预应力技术的特点及应用

本文基于钢结构的特殊要求,分析了其预应力技术的主要特点,包括预应力的施加可以形成新的结构形式、预应力的监控、索张拉的阶段性,介绍了预应力技术在弦支穹顶结构、张拉膜结构等典型结构的应用情况,并指出了钢结构预应力技术应用中存在的问题。     

考虑拉索锈蚀与松弛的弦支筒壳结构可靠性分析

针对弦支筒壳结构中因拉索的锈蚀和松弛而引起的拉索预应力损失问题,基于可靠度理论,采用大型有限元分析软件ANSYS中的PDS模块对弦支筒壳结构进行了正常使用极限状态下拉索的可靠性分析.选取预应力损失对其影响较大的中部拉索进行锈蚀与松弛的模拟,通过使拉索横截面积和预应力呈百分比递减,分别模拟了单根和多根拉索的锈蚀与松弛.得到不同位置处拉索的可靠度指标根据输出的不同位置处的可靠度指标及其变化趋势,并据此得出拉索的锈蚀对结构可靠度的影响有一定的缓冲,松弛对结构可靠度的影响呈线性相关等结论.     

新型环箍穹顶全张力结构局部断索抗连续倒塌性能分析

为了探究一种由周边环形张拉整体和中部索穹顶组成的新型环箍穹顶全张力结构局部断索的抗连续倒塌性能,在分析其静力及动力特性的基础上,利用自编向量式有限元程序建立了环箍穹顶索杆张力结构的数值模型.考虑结构初始状态,采用等效荷载卸载法分析得到了该结构不同类型拉索破断后剩余结构的动力响应,包括结构位形、节点位移及构件内力等.分析结果表明,利用向量式有限元法能够有效地进行结构局部断索后的动力响应分析;张拉整体单元的拉索破断主要影响所在单元附近的拉索,不会形成连续倒塌;索穹顶内部的拉索破断对周边张拉整体结构影响较小,新型环箍穹顶索杆张力结构具有较好的抗连续倒塌性能.     

曲线箱梁桥预应力筋张拉顺序的数值模拟及优化

有限元程序Ansys可以模拟预应力构件的张拉过程,而预应力筋张拉是基于对称的原则确定张拉顺序.采用Ansys对铜陵立交桥大型曲线箱梁的张拉过程进行了仿真模拟.基于两种不同张拉方案, 计算出两种张拉顺序对箱梁应力和变形的影响, 从而进行张拉顺序优化.此方法可为类似大型空间曲线预应力构件的张拉顺序提供一定参考.     

后张法现浇预应力混凝土梁张拉施工技术

本文结合工程实例,分别从预应力材料、张拉设备、张拉方法、张拉油压表读数、张拉伸长值计算、孔道灌浆及锚具封裹与张拉施工安全等方面,对预应力梁张拉进行了系统论述,保证了预应力梁的张拉施工质量。