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一种双向弦支异形网架结构设计及断索分析

一种双向弦支异形网架结构设计及断索分析

作者：王珊珊燕山大学

学位级别：硕士

弦支网架结构,是由网架结构、预应力拉索、撑杆三种结构单元形成的预应力空间钢结构。这种结构不仅实现较大跨度、成就许多奇特造型,而且结构整体受力性能很佳,结构自重较轻,广泛应用于大型公共建筑中。本文基于弦支网格结构的发展与研... 详细信息

弦支网架结构,是由网架结构、预应力拉索、撑杆三种结构单元形成的预应力空间钢结构。这种结构不仅实现较大跨度、成就许多奇特造型,而且结构整体受力性能很佳,结构自重较轻,广泛应用于大型公共建筑中。本文基于弦支网格结构的发展与研究成果,以天津市地铁3号线指挥中心屋盖钢结构为背景工程,探究四坡双向弦支异形网架结构的受力性能。首先,参考背景工程的实际情况,运用有限元分析软件Midas/gen 8.36,分别对四坡网架结构、双向弦支平板网架结构、双向弦支起坡网架结构的静力和动力特性进行了分析,分析结果表明弦支起坡的网架可以适用于较大跨度、较大荷载的异形结构,且弦支起坡网架的结构形式优于其他两种结构。应用位移控制法对结构进行几何非线性分析,研究了不同的等高起坡对结构的用钢量、最大挠度和支座水平推力的影响,确定了8%起坡为背景工程的最佳起坡。还研究了拉索预应力大小对结构的影响,结果表明短向拉索预应力对结构影响大,并确定了结构最合适的拉索预应力值。其次,应用Midas/gen 8.36中施工阶段分析模块,采用累加模型方式的分析方法,分析了背景工程施工阶段产生的初始应力和初始位移,并与设计阶段所预测的施工竣工态进行对比分析。得出设计阶段应尽量考虑结构的施工竣工态的初始缺陷,以免降低结构安全储备。最后,采用拆除构件法,探究了背景工程屋盖结构在施工阶段和使用阶段发生意外断索对结构的位移和应力方面的影响,评估拉索对结构安全性能影响度,检验结构优化结果的合理性。

关键词：双向弦支网架结构起坡坡度拉索预应力值施工阶段断索分析

独塔斜拉桥两阶段合理状态研究及断索影响分析

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独塔斜拉桥两阶段合理状态研究及断索影响分析

作者：程庆庆西安建筑科技大学

学位级别：硕士

独塔叠合梁斜拉桥凭借其自身的优点成为一种起步相对较晚、发展却十分迅速的桥型,其构造和受力复杂,结构空间效应显著。在所受荷载明确的情况下,如何确定其合理成桥状态及合理施工状态,是独塔叠合梁斜拉桥设计和施工控制面临的难题之一... 详细信息

独塔叠合梁斜拉桥凭借其自身的优点成为一种起步相对较晚、发展却十分迅速的桥型,其构造和受力复杂,结构空间效应显著。在所受荷载明确的情况下,如何确定其合理成桥状态及合理施工状态,是独塔叠合梁斜拉桥设计和施工控制面临的难题之一。拉索作为重要的支承和传力构件,其索力的确定是斜拉桥合理状态确定的前提和关键。另外,拉索在斜拉桥结构中属于相对薄弱的构件,在其寿命周期的任何阶段出现断索均会造成巨大损失,因此通过有限元仿真来研究断索对结构的影响,进而得到结构对不同位置拉索的依赖程度是有必要的。在建的鳌江四桥为空间双索面独塔叠合梁斜拉桥,两跨非对称布置,本文以此大桥为工程背景,利用ANSYS进行仿真分析,系统地研究了该斜拉桥成桥阶段及施工阶段的合理状态的确定方法,并分析了斜拉桥成桥后断索对结构的影响。主要研究内容如下:(1)综合阐述、分析了目前国内外用以确定斜拉桥成桥阶段与施工阶段合理索力的方法,对各种方法进行一定的客观评价,详细介绍一阶分析法的原理及步骤,为本文后续研究奠定了理论基础。(2)简要介绍鳌江四桥工程概况,利用ANSYS参数化设计语言(APDL)为该桥建立有限元模型,选取结构的弯曲应变能做为目标函数,基于一阶分析法的思想编写优化分析文件,用以确定最优的成桥索力,并对该成桥状态构件的内力及线形做出简要分析。(3)为鳌江四桥拟定合适的施工工序,重新建立优化分析文件,选用合理成桥状态的主梁线形与结构弯曲应变能加权之和做为目标函数,采用一阶分析法进行优化分析,目的是为了获取施工过程中拉索二次张拉力,从而得到斜拉桥合理施工状态,为工程施工提供参考性意见。(4)为了定性分析斜拉桥结构对各根拉索的依赖程度,以鳌江四桥成桥状态为基本状态,按单根断索和成对断索两种情况多种工况模拟断索现象,进行有限元仿真分析。将断索对索塔、主梁、拉索等构件的影响逐一进行分析,并考查断索对结构动力特性的改变程度,旨在为相似桥型的设计、施工及日常维修提供参考性依据。

关键词：独塔斜拉桥一阶分析法合理成桥状态合理施工状态断索分析

厦门白鹭体育场巨拱支承大跨度屋盖结构设计研究

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建筑结构学报 2023年第9期44卷 27-39页

作者：范重杨开刘涛赵长军陈巍胡纯炀张宇李劲龙霍文营中国建筑设计研究院有限公司北京100044

厦门白鹭体育场巨拱跨度为360 m,向外侧倾斜22°,东、西两侧巨拱不对称,受力形态复杂。场芯椭圆长轴与短轴之比接近2.0,最大高差将近45 m,无法满足传统轮辐式索结构的成形要求。为了解决该问题,巨拱采用矩形截面管桁架,并通过将相邻巨... 详细信息

厦门白鹭体育场巨拱跨度为360 m,向外侧倾斜22°,东、西两侧巨拱不对称,受力形态复杂。场芯椭圆长轴与短轴之比接近2.0,最大高差将近45 m,无法满足传统轮辐式索结构的成形要求。为了解决该问题,巨拱采用矩形截面管桁架,并通过将相邻巨拱拱脚承台连为整体等综合措施增强抗推能力。采用刚性撑杆代替部分受压下径向索,形成索-撑杆混合结构体系,并研发了带关节轴承销轴的索夹节点。分析结果表明:巨拱承担63.75%的竖向荷载,弹性屈曲因子大于10,弹塑性屈曲因子为5.9;在竖向荷载、风荷载与多遇地震作用下,巨拱的变形均较小,具有较好的刚度与稳定性;在罕遇地震作用下,巨拱基本保持弹性状态,东、西巨拱在各自的倾斜方向出现较小的残余变形;场芯轮辐式索结构采用分体模型和整体模型两阶段找形方法,可以显著减少计算工作量,加快收敛速度,成形态内环竖向坐标以及索、杆内力变化均匀连续;径向索、刚性撑杆以及环向索分别失效后,节点位移与杆件内力发生突变,经过一段时间震荡后逐渐趋于平稳,结构不会发生连续倒塌。

关键词：大跨度屋盖巨拱轮辐式索结构荷载-位移全过程分析找形分析断索分析

乐山奥体中心体育场车辐式单、双层组合索网罩棚结构设计

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建筑结构学报 2022年第1期43卷 182-191页

作者：吴小宾陈强冯远刘宜丰向新岸李常虹谢俊乔中国建筑西南设计研究院有限公司四川成都610000

针对乐山奥体中心体育场索膜罩棚西侧外高内低、东侧内高外低的不对称构形,提出并设计了一种车辐式单、双层组合索网结构,充分发挥单、双层索网各自特点,此类型组合索网结构系国内外首例。针对此类结构的找形方法、关键影响参数、力学... 详细信息

针对乐山奥体中心体育场索膜罩棚西侧外高内低、东侧内高外低的不对称构形,提出并设计了一种车辐式单、双层组合索网结构,充分发挥单、双层索网各自特点,此类型组合索网结构系国内外首例。针对此类结构的找形方法、关键影响参数、力学特点、屋面排水组织、整体稳定性、抗倒塌性能、关键节点进行了研究。结果表明:采用以力密度法为基础的"虚拟撑扞法"找形无需进行迭代计算,且可直接控制结构主要参数,易于得到符合建筑外观要求的结构体型,便于结构参数化分析;车辐式单、双层组合索网竖向刚度主要由预应力大小决定,其余参数主要影响结构体型,其单层索网竖向刚度远小于双层索网,且存在"跷跷板"效应;西侧屋面积水可沿径向至内环,再沿环向至南北侧内环低点后,沿径向排放至外环;东侧屋面积水直接沿径向排放至外环,局部坡度较小处应设置附加排水设施,避免雨水淤积;双层索网上、下环索汇交成单层索网环索,使得双层索网上弦相对下弦扭转受到明显抑制,杜绝了此类结构发生内环扭转失稳可能。通过抗倒塌分析,保证了整体结构在偶然断索状况下的安全性。结合不同张拉方案,对车辐式单、双层组合索网结构关键节点方案进行对比分析,保证此类组合索网结构施工张拉的可实施性和便利性。

关键词：车辐式单、双层组合索网结构虚拟撑扞法找形极限承载力分析断索分析关键节点设计

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单层马鞍形无内环交叉索网结构受力性能研究

建筑结构学报 2021年第1期42卷 30-38页

作者：薛素铎田学帅刘越李雄彦刘人杰北京工业大学城市建设学部北京100124 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京100124 烟台大学土木工程学院山东烟台264005

为提升内环索网结构抗连续倒塌能力与经济性,提出一种单层马鞍形无内环交叉索网。该新型索网具有抗连续倒塌能力强、鲁棒性好等优势。首先介绍了单层马鞍形无内环交叉索网的结构形式并给出了该结构的数学表达式;然后采用大型通用有限元... 详细信息

为提升内环索网结构抗连续倒塌能力与经济性,提出一种单层马鞍形无内环交叉索网。该新型索网具有抗连续倒塌能力强、鲁棒性好等优势。首先介绍了单层马鞍形无内环交叉索网的结构形式并给出了该结构的数学表达式;然后采用大型通用有限元软件ANSYS对单层马鞍形无内环交叉索网进行参数化建模、找形分析和结构设计,并采用生死单元法对该索网断索后的受力行为进行了非线性分析;最后研究了矢跨比、外环节点数和间隔数三个关键几何参数对结构静力性能的影响规律。研究结果表明:单层马鞍形无内环交叉索网单根或少数拉索破断不会引起结构的连续倒塌;随着矢跨比的减小,索网变扁平,最大应力与位移均逐渐增大;随着外环节点数的增加,索网变密,最大应力与位移均逐渐减小;随着间隔数的增加,索网中央多边形开口缩小,最大应力在间隔数由2增至4时增长迅速,在间隔数由4增至7时增长缓慢,最大位移则出现先增大后减小的趋势。

关键词：索网结构无内环断索分析参数分析静力性能

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椭圆形无内环索网结构受力性能分析

东南大学学报（自然科学版） 2021年第5期51卷 783-789页

作者：鲁建薛素铎李雄彦北京工业大学建筑工程学院北京100124

为解决环索作为张拉结构的敏感性构件问题、提高结构的抗连续倒塌能力,根据体育场馆的特点,构建了椭圆形无内环索网结构体系.基于APDL语言二次开发了椭圆形无内环索网结构的建模及找形程序,并对该结构体系进行了静力性能研究、参数化分... 详细信息

为解决环索作为张拉结构的敏感性构件问题、提高结构的抗连续倒塌能力,根据体育场馆的特点,构建了椭圆形无内环索网结构体系.基于APDL语言二次开发了椭圆形无内环索网结构的建模及找形程序,并对该结构体系进行了静力性能研究、参数化分析和断索研究.算例结果表明:找形程序具有较好的适应性;在弹性范围内,结构响应与荷载呈线性关系,恒载、活载与升温组合作用对结构最不利;增加环向等分数、增加马鞍曲面的矢跨比、提高预应力水平及增大索的截面面积均可增加结构刚度;单索跨越的环向等分数及长、短半轴的比值应控制在合理范围内;弹性模量对结构的影响较大;该结构的抗断索能力较好.

关键词：椭圆形无内环索网结构二次开发静力分析参数化分析断索分析

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大连梭鱼湾足球场罩棚结构设计

建筑结构 2023年第18期53卷 75-80页

作者：陈一朱忠义张琳王玮水金锋李东方王毅孙桐海北京市建筑设计研究院有限公司北京100045 大连市建筑科学研究设计院股份有限公司大连116021 中国建筑第八工程局有限公司东北分公司大连116021

大连梭鱼湾足球场(简称梭鱼湾足球场)总建筑面积13.6万m~2,坐席6.3万座。足球场罩棚支承于混凝土看台顶部。罩棚结构为上弦斜交索系-下弦放射状索系,平面为四心圆的索桁架结构。相比常规的轮辐式索桁架结构,该体系具有更强的面内刚度和... 详细信息

大连梭鱼湾足球场(简称梭鱼湾足球场)总建筑面积13.6万m~2,坐席6.3万座。足球场罩棚支承于混凝土看台顶部。罩棚结构为上弦斜交索系-下弦放射状索系,平面为四心圆的索桁架结构。相比常规的轮辐式索桁架结构,该体系具有更强的面内刚度和整体抗扭能力。对罩棚结构进行了形态分析,计算了其动力特性及抗连续倒塌;建立了摇摆柱支承的单压环梁的设计方法,并计算了其承载力与稳定性;设计了跨度超过30m的索系支承膜结构;介绍了上弦斜交索系上环索索夹节点,其串联式的索夹盖板连接键的设计,提高了环索索夹的抗滑移承载力。结果表明上弦斜交索系-下弦放射状索系索桁架结构体系合理。

关键词：索桁架交叉索网单压环梁断索分析索夹抗滑移承载力

大跨度局部自平衡混凝土拱壳结构专项分析研究

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建筑结构 2023年第15期53卷 22-27页

作者：程卫红刘枫张高明中国建筑科学研究院有限公司北京100013 国家建筑工程技术研究中心北京100013

京沈客专在北京朝阳站段(里程DK14+400~DK15+050)封闭式声屏障采用结构跨度约40m的大跨度混凝土拱壳结构形式,主拱结构之间应用单向简支的SP预应力预制板,主拱高位设置预应力拉索形成局部自平衡体系。针对预制壳板安装和预应力拉索张拉... 详细信息

京沈客专在北京朝阳站段(里程DK14+400~DK15+050)封闭式声屏障采用结构跨度约40m的大跨度混凝土拱壳结构形式,主拱结构之间应用单向简支的SP预应力预制板,主拱高位设置预应力拉索形成局部自平衡体系。针对预制壳板安装和预应力拉索张拉的工序开展不同施工方案对比分析,对比不同施工方案对应的结构受力和配筋设计情况。利用规范公式近似计算主拱混凝土的收缩应变和徐变应变,开展考虑混凝土收缩徐变的施工模拟分析,对收缩徐变造成的结构受力状态变化进行详细的研究。利用考虑塑性铰的动力时程分析方法分别对结构单体中间跨和边跨进行断索专项分析,研究了主拱结构的抗连续倒塌能力以及拉索更换的可行性。研究表明:考虑混凝土的收缩徐变,预应力拉索会产生一定的索力松弛,跨中段主拱的轴力也会有所下降,但不影响主拱结构受力的安全性。中跨或边跨发生断索时主拱结构均不会发生倒塌破坏,通过设置连系梁,混凝土拱壳结构具有较高的安全冗余度。

关键词：京沈客专局部自平衡大跨度混凝土拱壳施工方案收缩徐变施工模拟断索分析

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索桁悬垂结构力学性能及施工过程分析

索桁悬垂结构力学性能及施工过程分析

作者：张世豪燕山大学

学位级别：硕士

索桁悬垂结构是一种受力机理类似于张弦结构的新型结构形式,主要包含主拱桁架、两侧悬垂屋面、摇摆柱三部分。因其结构形式的特殊性,本结构性能方面有如下优点:1.结构由于成形后没有拉索参与,不存在因长期使用拉索会突然断裂的情况,结... 详细信息

索桁悬垂结构是一种受力机理类似于张弦结构的新型结构形式,主要包含主拱桁架、两侧悬垂屋面、摇摆柱三部分。因其结构形式的特殊性,本结构性能方面有如下优点:1.结构由于成形后没有拉索参与,不存在因长期使用拉索会突然断裂的情况,结构性能会更加稳定;2.结构两侧的悬垂屋面受到体内预应力作用,利于屋盖整体跨度和刚度的提升;3.结构用钢量相对较少,自重也会比其他类型的结构更轻,使得屋盖更加轻便。本文基于张拉结构的研究成果,利用有限元分析软件Midas gen对索桁悬垂结构的力学性能与施工过程可能遇到的问题展开研究。本文首先运用迭代法为索桁悬垂结构屋盖设计了一组能平衡屋面初始变形的预应力,再研究了在此组预应力作用下结构正常使用和承载力极限状态下的性能,并对该结构最不利荷载组合下的状态进行了研究。接着改变结构自身的一些参数,例如结构预应力值的大小与摇摆柱的位置,分析研究这些单参数的变化对结构力学性能的影响。最后根据该结构形式的特点,基于力学性能分析确定适合该结构使用阶段的最优结构形式,并为该结构制定一套合适的施工方法对其进行施工全过程分析,验证本施工方法的合理性。在预应力施加阶段,针对临时下拉索的施工顺序提出两套方案,对两套方案分别运用Midas gen从临时下拉索索力、结构位移以及构件内力的变化三方面进行对比分析,同时运用构件拆除法,对两套预应力施加方案中拉索较大的工况进行断索分析,评估拉索对结构安全性能影响度,找出最适合本结构的预应力施加方法。

关键词：索桁悬垂结构力学性能施工方法施工过程分析断索分析