大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)理論分析與施工實(shí)踐研究.pdf

1、弦支穹頂結(jié)構(gòu)作為一種新型雜交預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，誕生至今僅十余年，已初步顯示出廣闊的應(yīng)用前景。隨著近期體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、航站樓等大型公共設(shè)施建設(shè)的興起，還將為弦支穹頂結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用帶來新的契機(jī)。為了能夠與時(shí)俱進(jìn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合課題和工程實(shí)踐對(duì)該新型結(jié)構(gòu)已展開了相關(guān)的研究與探索，并取得了階段性成果。但總體來講，目前的研究工作還不夠全面和深入，部分問題的研究仍滯后于工程實(shí)踐的需要。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，以作者全程參與的武

2、漢體育館大型弦支穹頂屋蓋為工程背景，以大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)為主要研究對(duì)象，著重對(duì)該新型結(jié)構(gòu)的分類方法及新形式的構(gòu)建、非線性分析方法、預(yù)應(yīng)力確定方法、靜力性能、穩(wěn)定性能、缺陷穩(wěn)定性分析方法、施工全過程分析方法、以及施工技術(shù)等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。 在回顧弦支穹頂結(jié)構(gòu)產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，結(jié)合弦支穹頂結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)該新型結(jié)構(gòu)體系的概念進(jìn)行了延伸和拓展。以此為依據(jù)，對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系的分類方法進(jìn)行了研究，提出了按照上部剛性層

3、結(jié)構(gòu)和下部張拉索桿體系的組成特點(diǎn)進(jìn)行總體分類的方法，按照該方法對(duì)弦支穹頂進(jìn)行了較系統(tǒng)的分類，既總結(jié)了目前已有的結(jié)構(gòu)類型，也構(gòu)建了部分新的結(jié)構(gòu)形式。 對(duì)橢圓形弦支穹頂?shù)母拍?、?yōu)勢(shì)及特點(diǎn)進(jìn)行了詮釋和闡述，并提出采用平面形狀系數(shù)δ來描述其水平投影特征，為進(jìn)一步研究橢圓形弦支穹頂提供了依據(jù)和便利。 依據(jù)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)，討論了適合該結(jié)構(gòu)體系的幾何非線性分析方法，具體包括：非線性增量平衡方程及有限元基本方程的建立、弦支穹頂結(jié)

4、構(gòu)體系的單元組成及非線性方程組的求解方法等，為弦支穹頂結(jié)構(gòu)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。 對(duì)橢圓形弦支穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力確定方法進(jìn)行了研究，提出了預(yù)應(yīng)力確定的新方法——自平衡逐圈確定法。介紹了該方法實(shí)現(xiàn)的基本思想及原則、計(jì)算控制參數(shù)、計(jì)算步驟，以及求解策略等，在此基礎(chǔ)上編制了便于應(yīng)用的計(jì)算程序，最后通過典型算例分析，對(duì)該方法進(jìn)行了合理性驗(yàn)證。 對(duì)大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。分析并對(duì)比了弦支穹頂與相應(yīng)網(wǎng)殼在不同荷

5、載組合下的結(jié)構(gòu)變形、構(gòu)件內(nèi)力等靜力特性，同時(shí)對(duì)大跨橢圓形弦支穹頂?shù)姆蔷€性行為進(jìn)行了考察。結(jié)果表明：在相同荷載條件下，與對(duì)應(yīng)網(wǎng)殼相比，弦支穹頂?shù)墓?jié)點(diǎn)豎向位移、徑環(huán)向桿件內(nèi)力等均有顯著的改善，從而使結(jié)構(gòu)跨越更大空間成為可能；為確保結(jié)構(gòu)安全并避免拉索松弛，應(yīng)進(jìn)行荷載不對(duì)稱分布的驗(yàn)算；結(jié)構(gòu)體系的布置形式是影響索桿體系內(nèi)力分布規(guī)律的重要因素，與圓形弦支穹頂相比，橢圓形弦支穹頂?shù)乃鳁U體系內(nèi)力分布規(guī)律較為復(fù)雜；在正常使用荷載作用下，大跨橢圓形弦支穹頂

6、表現(xiàn)出較弱的非線性。通過參數(shù)影響分析，較全面地了解了大跨橢圓形弦支穹頂?shù)撵o力性能，為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供了參考依據(jù)。分析結(jié)果表明：矢跨比、平面形狀系數(shù)、預(yù)應(yīng)力、撐桿長(zhǎng)度是影響結(jié)構(gòu)靜力性能的主要因素，上部剛性層結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能具有一定的影響，拉索面積對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響不大，而撐桿面積對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能基本沒有影響。 對(duì)大跨橢圓形弦支穹頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了較全面的分析，對(duì)比了弦支穹頂與相應(yīng)網(wǎng)殼在穩(wěn)定性能方面的差異，并考察

7、了多種參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，以得出相關(guān)有價(jià)值的結(jié)論，來指導(dǎo)實(shí)踐。分析結(jié)果表明：由于下部索桿體系的引入，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗屈曲性能，使弦支穹頂?shù)姆€(wěn)定承載力明顯高于相應(yīng)的網(wǎng)殼；矢跨比、平面形狀系數(shù)、上部剛性層結(jié)構(gòu)的剛度、撐桿長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較大，預(yù)應(yīng)力、拉索面積對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響較小，而撐桿面積對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性基本沒有影響。以弦支穹頂結(jié)構(gòu)為對(duì)象，對(duì)目前常規(guī)的一致缺陷模態(tài)法(基于特征值屈曲模態(tài)的一致缺陷模態(tài)法、基于非線性屈曲模態(tài)的一致缺陷模態(tài)

8、法)的適用性進(jìn)行了分析，探討其在某些情況下不適用的原因。在此基礎(chǔ)上，建議了更加適合于弦支穹頂結(jié)構(gòu)的缺陷分析策略——一致缺陷位形法。該分析策略直接以非線性理論為基礎(chǔ)，既可避免求解廣義特征值問題的不足，不存在初始參考荷載的選擇問題，又能更好地反映結(jié)構(gòu)實(shí)際的變形趨勢(shì)。通過典型算例分析，一致缺陷位形法取得了較理想的結(jié)果。 闡述了兩類施工全過程分析方法(基于疊加原理的狀態(tài)變量疊加法、基于有限位移理論的非線性有限元法)的基本原理，著重對(duì)兩類

9、方法的關(guān)鍵問題，諸如：構(gòu)件的增加與安裝定位原則、構(gòu)件的拆除、邊界條件與荷載的改變、預(yù)應(yīng)力拉索的處理與張拉控制原則、支撐胎架的落架問題與落架方式等，作了詳細(xì)的拓展。建議網(wǎng)殼、網(wǎng)架等剛性結(jié)構(gòu)以及弦支穹頂、張弦梁、張弦桁架等半剛性結(jié)構(gòu)，可采用狀態(tài)變量疊加法進(jìn)行施工過程分析，以縮短計(jì)算時(shí)間，減少計(jì)算量；當(dāng)結(jié)構(gòu)較柔時(shí)，或?qū)τ?jì)算精度要求更高時(shí)，應(yīng)采用基于有限位移理論的非線性有限元法進(jìn)行分析。 對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工的虛擬張拉技術(shù)進(jìn)行了研究，提出

10、了虛擬張拉技術(shù)的初步理論架構(gòu)，包括虛擬張拉技術(shù)概念的定義、發(fā)展的必要性與作用、組成核心以及基本原理等。重點(diǎn)對(duì)虛擬張拉技術(shù)的關(guān)鍵問題，如：拉索單元模擬與分析方法、拉索預(yù)應(yīng)力的仿真方法、索力迭代策略、拉索張拉全過程仿真分析方法等進(jìn)行了詳細(xì)的探討和研究，推導(dǎo)出收斂速度更快、計(jì)算效率更高的索力迭代新策略——初應(yīng)變比值法和等效溫差比值法，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序，通過弦支穹頂、張弦梁等算例分析，驗(yàn)證了該迭代策略的高效性。 結(jié)合作者直接參與的