南京奧體中心主體育場屋蓋結(jié)構(gòu)分析與試驗(yàn)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(dān)了該屋蓋結(jié)構(gòu)的大量設(shè)計(jì)計(jì)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(jìn)行了試驗(yàn)研究，同時(shí)，用試驗(yàn)驗(yàn)證了理論計(jì)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(jì)算模型，詳盡分析了在恒載、使用活載、溫度荷載和不利風(fēng)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(fēng)荷載的計(jì)算和分析中，直接利用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，本文所用方法為風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接用于有限元模型的計(jì)算進(jìn)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(shí)為以后類似工程的設(shè)計(jì)

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(fù)雜的大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)，不僅要進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析，還必須進(jìn)行時(shí)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(jì)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(fù)雜的大跨度結(jié)構(gòu)；而且該方法還可作為一個(gè)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(fù)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(shí)程分析中，分別采用了大質(zhì)量法和相對運(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化；并進(jìn)行了在非一致地震輸入下屋蓋結(jié)構(gòu)的彈塑性時(shí)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(jì)提供了科學(xué)依據(jù)和分析方法。 (3)薄壁箱梁的約束扭轉(zhuǎn)分析在復(fù)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(xiàn)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(biāo)法的初參數(shù)方程創(chuàng)造性地推導(dǎo)出精度很高的單元?jiǎng)偠染仃?，將二次開發(fā)的單元直接用于有限元計(jì)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(xì)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(jìn)一步證明了作者推導(dǎo)的符拉索夫廣義坐標(biāo)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(jìn)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(shí)為隨后的非線性穩(wěn)定分析提出了合理的設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(yàn)研究試驗(yàn)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(diǎn)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(jìn)行了破壞荷載試驗(yàn)，得到結(jié)構(gòu)在

8、彈塑性和塑性階段的反應(yīng)。通過試驗(yàn)研究，不但對結(jié)構(gòu)總體受力行為和狀態(tài)進(jìn)行了評估和判定，而且通過理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果的比較還驗(yàn)證了設(shè)計(jì)采用的計(jì)算模式的正確性及可靠性。本文分析了1/20試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诩虞d至設(shè)計(jì)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(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠邢拊?jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。除此之外，還對實(shí)際結(jié)構(gòu)卸掉支架后在自重作用下的撓度與實(shí)際結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，進(jìn)一步驗(yàn)證了所采用的有限元分析的正確性及可靠性。 (