南京奧體中心主體育場屋蓋結(jié)構(gòu)分析與試驗研究.pdf

1、近幾年來，我國大跨空間結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用得到飛速的發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新材料和新技術(shù)被大量采用，越來越多新的空間結(jié)構(gòu)形式被提出并采用。南京奧體中心主體育場屋蓋結(jié)構(gòu)就是突出的新穎結(jié)構(gòu)之一。本文作者近兩年承擔了該屋蓋結(jié)構(gòu)的大量設(shè)計計算和研究工作。本文在已有的國內(nèi)外大跨度空間結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上，以南京奧體中心主體育場屋蓋結(jié)構(gòu)為研究背景，提出和完善了這一類雜交空間結(jié)構(gòu)的分析理論和方法；并在有限元分析的基礎(chǔ)上進行了試驗研究，同時，用試驗驗證了理論計算方法的

2、正確性和可靠性。本文主要研究內(nèi)容如下： (1)結(jié)構(gòu)的靜力分析和參數(shù)分析本文采用有限元分析手段，建立了奧體中心主體育場屋蓋結(jié)構(gòu)的三維計算模型，詳盡分析了在恒載、使用活載、溫度荷載和不利風荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移和力流方向等靜力特性。在風荷載的計算和分析中，直接利用風洞試驗結(jié)果，本文所用方法為風洞試驗數(shù)據(jù)直接用于有限元模型的計算進行了有效的探索。通過對屋蓋結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的分析，為結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，同時為以后類似工程的設(shè)計

3、提供了一些有用的建議。 (2)結(jié)構(gòu)的抗震性能分析對于復雜的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，不僅要進行地震反應(yīng)譜分析，還必須進行時程分析。本文在屋蓋結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)譜分析中，創(chuàng)新地解決了結(jié)構(gòu)計算模型及其簡化問題，探討了下部混凝土結(jié)構(gòu)對上部相對較柔的鋼屋蓋的地震反應(yīng)產(chǎn)生的影響，將兩自由度簡單體系的修正方法應(yīng)用于相類似下剛上柔的復雜的大跨度結(jié)構(gòu)；而且該方法還可作為一個功能附加到ANSYS有限元軟件上。通過南京奧體中心主體育場鋼屋蓋在不同模型下的地震反應(yīng)

4、譜分析和比較，證明了本文提出的這類修正方法在復雜工程上應(yīng)用的可行性。 本文對屋蓋結(jié)構(gòu)在非一致地震作用下的時程分析中，分別采用了大質(zhì)量法和相對運動法。大質(zhì)量法是作者第一次將其引入并應(yīng)用于大跨空間結(jié)構(gòu)的分析。在一致地震輸入的時程分析中，大質(zhì)量法求得的結(jié)果與用得比較多的相對運動法作了比較：接著采用大質(zhì)量法分析了地震波沿著X方向、Y方向傳播的非一致輸入時結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化；并進行了在非一致地震輸入下屋蓋結(jié)構(gòu)的彈塑性時程分析，找出了罕遇地震作

5、用下的結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為工程設(shè)計提供了科學依據(jù)和分析方法。 (3)薄壁箱梁的約束扭轉(zhuǎn)分析在復雜大跨空間結(jié)構(gòu)中考慮箱梁的約束扭轉(zhuǎn)，迄今沒有相關(guān)的文獻資料。本文比較了按不同約束扭轉(zhuǎn)理論求得箱梁約束扭轉(zhuǎn)的位移和應(yīng)力結(jié)果：根據(jù)符拉索夫廣義坐標法的初參數(shù)方程創(chuàng)造性地推導出精度很高的單元剛度矩陣，將二次開發(fā)的單元直接用于有限元計算；用該有限元單元可以方便地探討橫隔板布置對薄壁桿件扭轉(zhuǎn)結(jié)果的影響；文中還詳細比較了不同橫隔板布置下的結(jié)果和按烏曼

6、斯基理論求得的結(jié)果，不但完善了烏曼斯基理論的使用，提出了相關(guān)的條件，而且進一步證明了作者推導的符拉索夫廣義坐標法單元的正確性和合理性。(4)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析本文對屋蓋結(jié)構(gòu)進行了特征值屈曲分析，探討了荷載組合、內(nèi)環(huán)梁矢跨比、內(nèi)環(huán)梁截面特性以及下部混凝土結(jié)構(gòu)對上部鋼屋蓋彈性屈曲值的影響，同時為隨后的非線性穩(wěn)定分析提出了合理的設(shè)計初始缺陷。在屋蓋結(jié)構(gòu)的非線性穩(wěn)定性分析中考慮了幾何非線性、材料非線性和根據(jù)一致缺陷模態(tài)法得出的初始缺陷(內(nèi)環(huán)梁初始缺

7、陷和拱初始缺陷)，采用Newton-Raphson迭代法得到了荷載一位移全曲線，為屋蓋結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)分析提供計算依據(jù)參考，而且這一創(chuàng)新思路和方法還可以用來判斷結(jié)構(gòu)對缺陷的敏感性。本文還進一步分析了薄壁箱梁翹曲以及下部混凝土結(jié)構(gòu)對上部鋼屋蓋極限承載的影響。 (5)試驗研究試驗以1/20整體屋蓋模型為研究對象，研究該結(jié)構(gòu)體系在平面內(nèi)與出平面的穩(wěn)定性，重點研究模型在豎向靜載、溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力特性；進行了破壞荷載試驗，得到結(jié)構(gòu)在

8、彈塑性和塑性階段的反應(yīng)。通過試驗研究，不但對結(jié)構(gòu)總體受力行為和狀態(tài)進行了評估和判定，而且通過理論計算和試驗結(jié)果的比較還驗證了設(shè)計采用的計算模式的正確性及可靠性。本文分析了1/20試驗模型在加載至設(shè)計荷載值和破壞荷載值過程中撓度和主要桿件應(yīng)力的變化，將試驗結(jié)果與試驗模型的有限元計算結(jié)果進行比較。除此之外，還對實際結(jié)構(gòu)卸掉支架后在自重作用下的撓度與實際結(jié)構(gòu)有限元計算結(jié)果進行了比較，進一步驗證了所采用的有限元分析的正確性及可靠性。 (