體內(nèi)張拉成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)理論及試驗(yàn)研究.pdf

1、體內(nèi)張拉成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)新體系是在預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力網(wǎng)格結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型混合結(jié)構(gòu)體系。本文基于新的成形理念，通過把結(jié)構(gòu)端部?jī)傻饺齻€(gè)網(wǎng)格做成剛臂，引入預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)的成形方法，構(gòu)造出了體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形式，對(duì)該結(jié)構(gòu)理論研究的基礎(chǔ)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與理論計(jì)算作了詳細(xì)的對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上并結(jié)合課題組已有成果，提出了體內(nèi)張拉成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)新體系，它包括平面結(jié)構(gòu)一體內(nèi)張拉成形屋架和空間結(jié)構(gòu)—體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。論文的主要研

2、究工作和相應(yīng)研究成果如下： 1)針對(duì)體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實(shí)際發(fā)展需要，從工程應(yīng)用的角度定義了該類結(jié)構(gòu)的三種受力狀態(tài)—零狀態(tài)、初狀態(tài)和荷載態(tài)，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的形態(tài)分析方法一幾何位移迭代法，并就一個(gè)80米跨的體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)實(shí)例，對(duì)其找形過程特點(diǎn)做了細(xì)致的分析，結(jié)果表明幾何位移迭代法找形精度高、找形速度快，非常適合于體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)研究，而且可以保持結(jié)構(gòu)的完整性。在幾何位移迭代法找形方法的基礎(chǔ)上，提出

3、了兩種簡(jiǎn)易算法—R向迭代算法和Z向迭代算法，其迭代計(jì)算簡(jiǎn)單、找形速度快，一般情況下完全可以滿足實(shí)際施工要求，是體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程形態(tài)研究及初步概念設(shè)計(jì)階段的兩種較為適宜和簡(jiǎn)便的找形方法。 2)提出基本假定、選取理想單元，進(jìn)而建立合理的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型，并通過一個(gè)100m跨體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)算例對(duì)比，利用ANSYS有限元程序詳細(xì)分析了結(jié)構(gòu)成形和受荷性能。在成形過程分析中綜合考慮了幾何非線性和材料非線性，進(jìn)而

4、得出了結(jié)構(gòu)成形的一些主要特點(diǎn)。研究表明上弦是結(jié)構(gòu)成形過程中的主要受力構(gòu)件，產(chǎn)生較大彎曲變形，主要承受彎矩，另外承受少量軸力；剛臂應(yīng)力應(yīng)變很小，但剛體轉(zhuǎn)動(dòng)很大，對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的約束作用：腹桿內(nèi)力很小，對(duì)結(jié)構(gòu)成形過程影響較小。荷載作用下應(yīng)力均勻合理，結(jié)構(gòu)在全跨荷載作用下的位移大于半跨荷載作用下的位移。 3)參數(shù)影響分析對(duì)充分認(rèn)識(shí)體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和提出合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路具有重要意義。針對(duì)影響結(jié)構(gòu)成形和承載的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，

5、總結(jié)出各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：上弦截面、剛臂節(jié)間數(shù)和高跨比是影響結(jié)構(gòu)成形及受荷狀態(tài)的三個(gè)主要的參數(shù)，其他參數(shù)影響較小。體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工作階段的分析研究必須以成形階段研究為基礎(chǔ)，成形階段的分析研究必須考慮結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)分析必須綜合考慮兩階段的特點(diǎn)。 4)作為一種新型的大跨空間結(jié)構(gòu)形式，體內(nèi)張拉成形空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施工成形過程研究特別是實(shí)用張拉成形方法的研究對(duì)于該結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用極為重要。本文著眼于結(jié)

6、構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用，提出了兩種張拉方案：整體分次和分批分次，并由張拉方式對(duì)結(jié)構(gòu)位移及受力特點(diǎn)的影響出發(fā)，從多個(gè)角度對(duì)結(jié)構(gòu)成形過程作了較為詳盡的分析。與整體分次張拉方式相比，分批分次張拉方式下的上弦節(jié)點(diǎn)R向和Z向位移的滯后或超前效應(yīng)影響不明顯，所以當(dāng)依據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝進(jìn)度或張拉設(shè)備數(shù)量限制等要求很難實(shí)現(xiàn)整體分次張拉方案時(shí)，分批分次張拉施工成形方案是一種較為理想的選擇。從結(jié)構(gòu)成形過程上弦彎矩值的大小來考慮，分批分次張拉方式替代整體分次張拉方式對(duì)張

7、拉過程有一些影響，但對(duì)結(jié)構(gòu)張拉終態(tài)影響很小，但就結(jié)構(gòu)上弦軸力而言，須全面的進(jìn)行成形全過程研究。分批張拉替代整體張拉時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)的上弦環(huán)梁會(huì)在一定程度上減小分批張拉導(dǎo)致的不均勻性。 5)垂跨比和矢跨比是體內(nèi)張拉成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)重要的外形參數(shù)，以垂跨比和矢跨比為設(shè)計(jì)參數(shù)，綜合考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力多種性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)外形。體內(nèi)張拉成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題即垂跨比和矢跨比影響研究不同于普通結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠胀ńY(jié)構(gòu)的垂跨比和矢跨比多是針對(duì)荷載態(tài)效果而言，而體

8、內(nèi)張拉成形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)則賦予了其全過程影響分析的含義，它既影響著結(jié)構(gòu)成形性能，又通過預(yù)應(yīng)力分布最終影響著結(jié)構(gòu)受荷性能，同時(shí)又制約于結(jié)構(gòu)成形受荷過程，是貫穿于結(jié)構(gòu)全過程的重要因素。通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證詳細(xì)的從不同角度研究了其影響特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能做了深入的形狀優(yōu)化研究，并據(jù)此就分析實(shí)例，提出了較為合理的矢跨比和垂跨比組合的結(jié)構(gòu)外形。研究發(fā)現(xiàn)：與把“下弦張拉到水平”作為結(jié)構(gòu)成形的目標(biāo)相比，將下弦張拉到有一定垂度，并與相應(yīng)的上弦矢高配合，可能更為