索穹頂結(jié)構(gòu)施工成形理論及試驗(yàn)研究.pdf

1、索穹頂結(jié)構(gòu)是一種結(jié)構(gòu)效率極高的結(jié)構(gòu)體系,這種結(jié)構(gòu)以其新穎的結(jié)構(gòu)造型、巧妙的構(gòu)思、較輕的自重和快速的施工,一經(jīng)問世就引起國際空間結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)界、工程界的高度重視。國外已有10余座這樣的結(jié)構(gòu)建成,國內(nèi)對(duì)該體系的研究雖然在理論上已經(jīng)取得了一定的成果,但距工程應(yīng)用仍有距離,還需進(jìn)一步深入研究。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā),對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)施工成形的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究,旨在為索穹頂結(jié)構(gòu)在國內(nèi)工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)儲(chǔ)備。 作者在閱讀了大量文獻(xiàn)的基

2、礎(chǔ)上,分析了索穹頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、工程應(yīng)用以及尚需解決的問題。在前人研究成果的基礎(chǔ)上,提出了本文的主要研究內(nèi)容。 基于Lagrange描述的兩節(jié)點(diǎn)曲線索單元和兩節(jié)點(diǎn)直線桿單元建立了索穹頂結(jié)構(gòu)非線性混合有限元方程,作為本文研究內(nèi)容的理論基礎(chǔ)。提出了考慮索自重影響的簡化分析方法,并基于ANSYS平臺(tái)開發(fā)了索穹項(xiàng)結(jié)構(gòu)計(jì)算程序,若干算例驗(yàn)證了該程序正確可靠,具有較高的精度。 針對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)施工成形過程復(fù)雜

3、多變的特點(diǎn),提出了施工過程時(shí)變分析方法,基于Updated Lagrange列式建立了非線性時(shí)變方程,充分考慮了施工過程的時(shí)變效應(yīng)。對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)在施工過程中內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移的時(shí)變特性進(jìn)行了分析,得出必須將索穹頂結(jié)構(gòu)分析和施工過程分析一體化考慮的結(jié)論。 提出一種新的施工成形方法--分層頂升豎桿法,并與張拉斜索法在施工過程中的力學(xué)性狀進(jìn)行了對(duì)比分析。算例分析表明,本文方法避免了節(jié)點(diǎn)發(fā)生較大的位移,降低了施工難度,是一種有效的施工方法,

4、可供索穹頂結(jié)構(gòu)施工采用。 應(yīng)用Monte Carlo方法分析了施工過程中支座加工誤差和桿件制作誤差等因素對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,給出實(shí)際施工誤差控制的合理范圍,并指出施工中應(yīng)重點(diǎn)控制的對(duì)象。為了提高施工效率,提出了不均勻預(yù)應(yīng)力水平的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),為施工調(diào)試提供了指導(dǎo)準(zhǔn)則,避免了施工調(diào)試的盲目性。 應(yīng)用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)原理研究了索穹頂結(jié)構(gòu)中局部構(gòu)件破壞后對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響和結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)。分析了索穹頂結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理,提出環(huán)向承力系統(tǒng)

5、的概念,指出索穹頂結(jié)構(gòu)失效的本質(zhì)是源于環(huán)向承力系統(tǒng)的破壞。根據(jù)構(gòu)件局部破壞后對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度,將各構(gòu)件劃分了不同的安全等級(jí),對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工以及建后維護(hù)有一定的借鑒意義。 對(duì)直徑為6 m的索穹頂結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究,模擬了分層頂升豎桿成形方法的施工全過程,并進(jìn)行了構(gòu)件破壞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出分析理論的正確性和成形方法的可行性。 本文的研究工作為索穹項(xiàng)結(jié)構(gòu)施工提供了有力的技術(shù)支持,對(duì)索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工均有重要的