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车辐式张拉结构张拉过程模拟分析及张拉方案研究

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施工技术 2009年第3期38卷 30-35页

作者：郭彦林江磊鑫田广宇王小安王昆孙文波清华大学北京100084 华南理工大学建筑设计研究院广东广州510641

车辐式张拉结构造型轻盈通透,常作为大跨度体育场建筑的屋盖结构形式。对于由索杆组成的车辐式张拉屋盖结构而言,屋盖施工常常采用整体张拉成型的方法,其张拉方案的制定以及张拉过程中"力"与"形"的控制是施工张拉过程的核心内容。分析... 详细信息

车辐式张拉结构造型轻盈通透,常作为大跨度体育场建筑的屋盖结构形式。对于由索杆组成的车辐式张拉屋盖结构而言,屋盖施工常常采用整体张拉成型的方法,其张拉方案的制定以及张拉过程中"力"与"形"的控制是施工张拉过程的核心内容。分析制定张拉方案所应当遵循的原则,并以深圳宝安体育场屋盖结构为例,对拟制定的3种张拉方案进行张拉过程数值模拟分析,同时依据数值分析结果评估各种张拉方案的优缺点。

关键词：宝安体育场屋盖钢结构车辐式张拉结构张拉过程模拟张拉方案

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车辐式张拉结构施工随机误差敏感性研究

施工技术 2009年第3期38卷 35-39页

作者：郭彦林王小安田广宇王昆江磊鑫清华大学北京100084

深圳市宝安体育场屋盖结构为车辐式张拉结构,目前拟采用定尺定长设计与张拉的施工方法。在索系结构的张拉施工过程中,各种类型的构件会产生不同的制作与安装误差。这些误差对结构的位形与力学性能影响,涉及到误差影响的敏感性分析。针... 详细信息

深圳市宝安体育场屋盖结构为车辐式张拉结构,目前拟采用定尺定长设计与张拉的施工方法。在索系结构的张拉施工过程中,各种类型的构件会产生不同的制作与安装误差。这些误差对结构的位形与力学性能影响,涉及到误差影响的敏感性分析。针对宝安体育场屋盖结构,提出一个误差敏感性判定指标,对其施工过程中可能产生的各种误差进行敏感性分析,包括各类拉索的误差与外环梁误差等。通过对屋盖结构在各类随机误差同时存在下的结构力学性能研究发现,当构件加工与安装等各环节的精度满足一定条件时,宝安体育场屋盖结构能够抵抗各种随机误差造成的不利影响。

关键词：宝安体育场车辐式张拉结构随机误差敏感性分析

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车辐式张拉结构的体型研究与设计

车辐式张拉结构的体型研究与设计

作者：王昆清华大学

学位级别：硕士

车辐式张拉结构主要由内外环以及介于两者之间的拉索或者索桁架组成，属于自平衡体系，结构体型轻盈，近年来常搭配膜材应用于大跨体育场建筑。为推广其在国内应用，本文对其体型展开了详细研究。首先需要确定结构的初始平衡态。由... 详细信息

车辐式张拉结构主要由内外环以及介于两者之间的拉索或者索桁架组成，属于自平衡体系，结构体型轻盈，近年来常搭配膜材应用于大跨体育场建筑。为推广其在国内应用，本文对其体型展开了详细研究。首先需要确定结构的初始平衡态。由于现代体育场建筑一般采用碗状看台，因此外环一般呈马鞍形以与看台相适应，建筑师直接凭感觉绘出可行的结构位形是非常困难的，因此“由形找力”可行性较低。本文将力密度法用于车辐式张拉结构找形，发现其非常有效且概念清晰。研究发现，结构平面投影唯一对应索系力密度分布，进而确定结构空间位形，相当于“由形找力再找形”，解决了拓展力密度法收敛性差的问题。初始平衡态确定后，对不同平面投影单层车辐式张拉结构的静力性能展开研究。发现内外环相似程度对外环受力的影响非常明显，内外环不相似会带来外环弯矩的急剧增大以至于无法实际应用。为减小外环弯矩，本文提出了平衡环方案以解决这一问题。随后，本文还对次环索布置、内外环之间拉索的不同布置方式分别进行了研究。而结构体型的参数分析则表明，索系力密度不但决定结构位形，还是单层车辐式张拉结构刚度的主控因素。由于平面投影的研究成果是通用的，对双层车辐式张拉结构体型的研究主要是关注索桁架形式的变化，分别比较了基本体型（上下径向索之间只通过内环撑杆连系）、凹索桁架和凸索桁架这三种形式的受力性能。文中针对凸索桁架体系的失稳现象进行了理论研究，并提出了解决措施，设计了新的结构体型。此外，本文还对凹/凸索桁架的初始态设计给出了建议。在上述研究的基础上，对用于体育馆的车辐式张拉结构形式进行了分析，简化了复杂的刚性内环。上述体型研究工作完成后，结合宝安体育场这一工程实例，对实际结构设计中遇到的问题（如整体结构侧向刚度、外环稳定性等）展开研究，进一步完善了车辐式张拉结构的初步设计流程。此外，本文还介绍了宝安体育场的1:10模型试验，试验节点的构造、模型张拉过程以及静动力性能的测试对于未来类似工程的建设都有一定的参考意义。

关键词：车辐式张拉结构找形分析力密度法体型研究宝安体育场

基于双层平面索变形的车辐式张拉结构找形方法

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应用力学学报 2013年第5期30卷 720-725,803页

作者：尚仁杰吴转琴刘景亮中冶建筑研究总院有限公司北京100088

建立了由上层索、下层索、飞柱组成的双层平面索结构,根据节点平衡推导了各索段拉力的计算公式;基于索拉力产生的平衡荷载与索拉力水平分量及索竖向变形之间的关系,推导了平面索在竖向荷载作用下变形计算的有限元列式;通过对平面索结构... 详细信息

建立了由上层索、下层索、飞柱组成的双层平面索结构,根据节点平衡推导了各索段拉力的计算公式;基于索拉力产生的平衡荷载与索拉力水平分量及索竖向变形之间的关系,推导了平面索在竖向荷载作用下变形计算的有限元列式;通过对平面索结构边界节点施加竖向位移,将上下索边节点移动到建筑要求的位置;当飞柱高度不同时,可通过飞柱的伸长或缩短达到设计要求的飞柱高度,最终实现车辐式张拉结构找形。本文还给出了找形后结构分析和索张拉控制所需的初应变计算公式以及考虑边界梁和柱子在索力下产生弹性变形的处理方法。通过对车辐式张拉结构工程实例进行找形计算,介绍了有限元法的计算过程;对找形后车辐式张拉结构进行了受力分析,将找形时结构荷载施加在找形后的结构上,结构最大竖向位移仅为0.72mm,验证了该找形方法的正确性。

关键词：车辐式张拉结构平面索索桁架平衡荷载法找形有限元法

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碳纤维车辐式张拉结构抗连续倒塌性能研究

碳纤维车辐式张拉结构抗连续倒塌性能研究

作者：解鹏东南大学

学位级别：硕士

本文把碳纤维增强复合材料应用到车辐式张拉结构的拉索中,形成碳纤维车辐式张拉结构。此结构既充分利用碳纤维的高抗拉性能,又实现了结构的自重减轻。故而碳纤维车辐式张拉结构在未来一定会占有一席空间,且目前的研究基本局限于找形找... 详细信息

本文把碳纤维增强复合材料应用到车辐式张拉结构的拉索中,形成碳纤维车辐式张拉结构。此结构既充分利用碳纤维的高抗拉性能,又实现了结构的自重减轻。故而碳纤维车辐式张拉结构在未来一定会占有一席空间,且目前的研究基本局限于找形找力、静力分析、抗震分析、施工成型等方面,对于抗连续倒塌方面研究极少。本文对垂直撑杆车辐式张拉结构进行调整形成新型结构即倾斜撑杆车辐式张拉结构,对这两种结构进行抗连续倒塌分析,本文内容主要如下:基于动力松弛法找力原理采用matlab进行编程求解车辐式张拉结构的初始预应力,并使用Ansys基于非线性有限元法进行求解验证。在相同的矢跨比和相同截面尺寸的构件条件下,设计了跨度120m的垂直撑杆车辐式张拉结构和倾斜撑杆车辐式张拉结构,并通过Ansys分析确保结构在各工况下位移、拉索内力均在限值内。采用Ansys进行模态分析,探究两种车辐式张拉结构的整体性能,并为动力分析提取参数。基于备用荷载路径法,使用Ansys有限元软件进行非线性静力抗连续倒塌分析和Lsdyna有限元软件进行非线性动力抗连续倒塌分析,采用位移指标来评估车辐式张拉结构构件的重要性并探究抗连续倒塌性能。对比两种车辐式张拉结构的抗连续倒塌性能差异,并分析静力动力分析的差别,来验证静力分析是否可以为动力分析做指导。在拆除多根同类型弦索情况下,研究两种车辐式张拉结构抗连续倒塌性能差异及各自的优劣性。在正常设计下,静力分析和动力分析下两种车辐式张拉结构均不会发生连续倒塌。为了清晰地求解出结构的倒塌路径,通过减小结构撑杆截面面积,促使结构发生连续倒塌,从而分析结构位移、内力时程和倒塌路径。最后,根据上述分析结果,对两种车辐式张拉结构抗连续倒塌给出设计建议。

关键词：车辐式张拉结构找形连续倒塌变换荷载路径法倒塌路径

节点偏差对车辐式张拉结构受力性能影响研究及安全性评价

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节点偏差对车辐式张拉结构受力性能影响研究及安全性评价

作者：赵鑫磊兰州理工大学

学位级别：硕士

大跨度空间钢结构近些年来在体育场、机场航站楼、会展中心等需要大空间的建筑中应用广泛,空间结构以其造型丰富、受力合理的优势深得广大建筑师和结构工程师的喜爱。张拉结构作为空间结构中的重要分支,近些年来也受到广大工程师们的青... 详细信息

大跨度空间钢结构近些年来在体育场、机场航站楼、会展中心等需要大空间的建筑中应用广泛,空间结构以其造型丰富、受力合理的优势深得广大建筑师和结构工程师的喜爱。张拉结构作为空间结构中的重要分支,近些年来也受到广大工程师们的青睐,但是因其钢构件安装的精度问题,难免会出现位置偏差,因此对于施工偏差的分析以及结构安全性、不同结构部分的敏感性的分析就显得尤为重要。同时对于结构在施工过程中出现的问题,定量定性的评价一直是众多科研人员研究的内容,本文通过对车辐式张拉结构安全评价体系的构建及量化评价指标的研究,得出了一些分析结论,为相似工程的安全性评价提供参考。本文以某车辐式张拉结构为研究背景,利用ABAQUS软件构建了三维有限元模型,研究其节点施工偏差对结构的受力影响,并研究了结构不同部位对节点偏差数量的敏感性。最后,以模糊数学理论为基础,结合层次分析法对结构进行安全性评价,具体研究内容及工作如下:（1）建立结构的有限元模型,利用ABAQUS软件对结构进行节点施工偏差分析,首先利用一致节点偏差对完善模型进行修改,并利用弧长法在同条件下对模型进行计算。以第1、3、28及第33阶模态为一致缺陷施加的基础模态,每个模态下以0.1为梯度设置10组缺陷比例,通过对大量的一致缺陷模型进行计算,最终计算结果表明:缺陷比例因子为0.4时,杆件的应力都有较大幅度的增加,随着缺陷比例因子的增大,节点周围杆件的应力也跟着增大。（2）对完善模型进行了随机节点偏差的分析,主要运用MATLAB软件生成节点坐标伪随机数据,将其施加到完善模型中以模拟随机节点施工偏差,探究随机误差对结构受力性能的影响,研究表明结构在-120mm到120mm偏差范围内,节点周围杆件应力变化速率增大。（3）探究立面网壳、撑杆、屋面网壳及拉索四个部分对出现偏差节点的数量的敏感性,研究结果显示,屋面网壳结构对节点偏差数量的反应最敏感,撑杆部分次之,再次是拉索部分,立面网壳相较于部分对偏差节点数量的反应最不敏感。（4）利用模糊层次法对整个结构的安全性作出评价,构建模糊关系矩阵,对目标判断矩阵的各因素权重进行确定,建立二级模糊评价矩阵体系,根据现场实际监测数据制定了5个对应模糊评价体系的评价指标,通过对比数据和评价指标给出各个因素的判断矩阵,再进行二级评价,最后计算贴近度以确定最终评价等级,经计算该结构评价等级为“优”级,完成对某车辐式张拉结构的安全性评价。

关键词：车辐式张拉结构节点施工偏差安全性评价缺陷敏感性模糊层次分析法

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双层车辐式张拉结构的协同分析研究

双层车辐式张拉结构的协同分析研究

作者：郭佳禄西安建筑科技大学

学位级别：硕士

车辐式张拉结构是从自行车轮辐的受力机理演化而来的新型张拉结构,一般由刚度较大的受压外环、径向布置的拉索或索桁架以及中心受拉内环组成。车辐式张拉结构属于自平衡受力体系,拉索或索桁架的张拉力与外环的压力平衡,而且传力直接,不... 详细信息

车辐式张拉结构是从自行车轮辐的受力机理演化而来的新型张拉结构,一般由刚度较大的受压外环、径向布置的拉索或索桁架以及中心受拉内环组成。车辐式张拉结构属于自平衡受力体系,拉索或索桁架的张拉力与外环的压力平衡,而且传力直接,不易形成机构,因此被广泛的应用于大型体育场建筑中,取得了较好的经济效益和美学效果。本文从车辐式张拉结构与上覆膜结构协同分析的出发,将上覆膜结构视为结构受力组成部件,对车辐式张拉结构的形态分析、静载分析进行了系统的研究。通过大量文献资料的研究进程及分析方法的综合分析,本文对车辐式张拉结构进行协同形态分析,解决了传统形态分析未考虑车辐式结构与膜结构之间的位移协调关系的问题。在ANSYS中编制找形程序,车辐式结构外环直径192m,内环直径96m,共36榀索桁架,索桁架最大撑杆高度为16m,每一榀径向索分4段。根据逐点去约束的方法计算单榀索桁架预应力分布,集成车辐式结构的预应力分布。对车辐式结构进行协同分析研究,对比两种分析的预应力分布结果以及结构几何的变化,得到协同研究的意义。对结构形式、膜面预应力、撑杆长度、总跨度、索桁架数目及斜撑杆数目等参数进行分析,探究不同参数对结构预应力分布的影响规律,以及不同参数取值下协同分析的优劣性。根据大量柔性结构的研究分析,以预应力损失值为临界准则,分析各个参数值用以界定协同分析与否的临界值。对车辐式结构的荷载分析研究,协同分析考虑了水平向的膜张力分量,更真实的模拟结构受力情况。对比协同研究与非协同研究的结构内力响应、位移响应,判断并选取何种研究对结构更有利。研究分析膜预应力和撑杆长度的变化对结构静力特征的影响,探究不同参数取值协同研究的必要性,为工程设计提供帮助。

关键词：车辐式张拉结构形态分析膜单元有限元法分析预应力分布

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单层与双层车辐式张拉结构的对比分析

工程建设 2017年第6期49卷 9-12页

作者：张剑锋王曼江西省电力设计院南昌330000 东南大学土木工程学院南京210096 武汉大学土木建筑工程学院武汉430000

单层车辐式张拉结构首次在实际工程中得到运用比双层车辐式张拉结构实现工程运用的时间晚50年左右。从适应范围、材料用量、受力特点等方面对单层与双层车辐式张拉结构进行对比分析。为深入研究两者在受力特征方面的不同,首次对单层车... 详细信息

单层车辐式张拉结构首次在实际工程中得到运用比双层车辐式张拉结构实现工程运用的时间晚50年左右。从适应范围、材料用量、受力特点等方面对单层与双层车辐式张拉结构进行对比分析。为深入研究两者在受力特征方面的不同,首次对单层车辐式张拉结构进行了结构受力公式推导。

关键词：车辐式张拉结构结构受力挠度公式推导对比分析

密闭索和高强镦头式预应力钢拉杆的材料性能及工程应用研究

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密闭索和高强镦头式预应力钢拉杆的材料性能及工程应用研究

作者：黄洋北京交通大学

学位级别：硕士

摘要：索材作为索结构的重要构件,其材料性能以及经济性能的优劣必然制约着索结构的发展。密闭索,作为在发达国家应用广泛的一种索材,在我国却受制造业水平的限制,并没有广泛应用于索结构。同普通碳钢索、不锈钢索以及高钒索等国内索结... 详细信息

摘要：索材作为索结构的重要构件,其材料性能以及经济性能的优劣必然制约着索结构的发展。密闭索,作为在发达国家应用广泛的一种索材,在我国却受制造业水平的限制,并没有广泛应用于索结构。同普通碳钢索、不锈钢索以及高钒索等国内索结构常用索材相比,密闭索具有多方面的显著优势,因此密闭索在国内的索结构应用市场中前景广阔。然而,目前关于密闭索的材料力学参数亦少有文献涉及,关于密闭索应用于索结构工程的分析文章却少有体现,因此有必要对密闭索的材料力学性以及工程应用分析进行深入系统的研究。当前应用于工程中的拉条、屋面支撑以及柱间支撑多为普通圆钢,经常出现腐蚀、应力松弛等方面的问题,高强镦头式预应力钢拉杆作为一种新型的刚性索材,有效的克服了以上缺点,因此有必要对此种新型材料进行系统分析。本文主要从以下三个方面研究密闭索的工程应用特性：首先,本文依托深圳某体育场的结构索材检测试验,包括密闭索长期持荷试验、密闭索的静力破断试验以及密闭索的索夹滑移试验等三个试验,以确定密闭索的材料性能参数以及密闭索和索夹的连接状况。其中,通过密闭索的长期持荷试验,本文找出了密闭索在长期持荷时的应力—应变曲线,确定密闭索在工程应用中的应力松弛状况;通过密闭索的静力破断试验,确定了密闭索的强度、索材破断形式以及索材的弹性模量;通过密闭索的索夹滑移试验,确定了密闭索与索夹连接的特点。其次,在深圳某单层索网点支式幕墙工程中,分别选用碳钢索、不锈钢索、高钒索以及密闭索等四种索作为结构用索,选用通用限元软件SAP2000建立有限元模型并计算分析,用以比较密闭索应用于单层索网点支式幕墙结构时相对于其他三种索材的材料性能优势以及经济性能优势。最后,选择一个较为新颖的大跨度空间结构工程——车辐式张拉结构工程为背景,本文在介绍了车辐式张拉结构之后,分别选用碳钢索、不锈钢索、以及密闭索等四种索材作为结构用索,选用通用有限元软件SAP2000进行有限元模拟并计算分析,用以比较密闭索应用于此结构时相对于其他三种索材的材料性能优势以及经济性能优势。本文主要从以下两方面研究高强镦头式预应力钢拉杆的工程应用特性：本文在对此类拉杆进行静力破断试验并在数据分析整理之后找出此类新型材料的抗拉强度,然后同普通圆钢支撑比较确定其材性性能优势以及经济性能优势。

关键词：密闭索索网幕墙车辐式张拉结构有限元分析预应力钢拉杆