體內張拉成形網格結構理論及試驗研究.pdf

1、體內張拉成形網格結構新體系是在預應力拱架結構和預應力網格結構基礎上發(fā)展的一種新型混合結構體系。本文基于新的成形理念，通過把結構端部兩到三個網格做成剛臂，引入預應力拱架結構的成形方法，構造出了體內張拉成形空間網格結構形式，對該結構理論研究的基礎，進行了試驗研究，并與理論計算作了詳細的對比分析。在此基礎上并結合課題組已有成果，提出了體內張拉成形網格結構新體系，它包括平面結構一體內張拉成形屋架和空間結構—體內張拉成形空間網格結構。論文的主要研

2、究工作和相應研究成果如下： 1)針對體內張拉成形空間網格結構實際發(fā)展需要，從工程應用的角度定義了該類結構的三種受力狀態(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80米跨的體內張拉成形空間網格結構實例，對其找形過程特點做了細致的分析，結果表明幾何位移迭代法找形精度高、找形速度快，非常適合于體內張拉成形空間網格結構形態(tài)研究，而且可以保持結構的完整性。在幾何位移迭代法找形方法的基礎上，提出

3、了兩種簡易算法—R向迭代算法和Z向迭代算法，其迭代計算簡單、找形速度快，一般情況下完全可以滿足實際施工要求，是體內張拉成形空間網格結構現場實際工程形態(tài)研究及初步概念設計階段的兩種較為適宜和簡便的找形方法。 2)提出基本假定、選取理想單元，進而建立合理的結構計算分析模型，并通過一個100m跨體內張拉成形空間網格結構算例對比，利用ANSYS有限元程序詳細分析了結構成形和受荷性能。在成形過程分析中綜合考慮了幾何非線性和材料非線性，進而

4、得出了結構成形的一些主要特點。研究表明上弦是結構成形過程中的主要受力構件，產生較大彎曲變形，主要承受彎矩，另外承受少量軸力；剛臂應力應變很小，但剛體轉動很大，對結構有一定的約束作用：腹桿內力很小，對結構成形過程影響較小。荷載作用下應力均勻合理，結構在全跨荷載作用下的位移大于半跨荷載作用下的位移。 3)參數影響分析對充分認識體內張拉成形空間網格結構的特點和提出合理結構設計思路具有重要意義。針對影響結構成形和承載的結構參數進行研究，

5、總結出各設計參數對結構變形和內力的影響規(guī)律。結果表明：上弦截面、剛臂節(jié)間數和高跨比是影響結構成形及受荷狀態(tài)的三個主要的參數，其他參數影響較小。體內張拉成形空間網格結構工作階段的分析研究必須以成形階段研究為基礎，成形階段的分析研究必須考慮結構工作狀態(tài)，結構分析必須綜合考慮兩階段的特點。 4)作為一種新型的大跨空間結構形式，體內張拉成形空間網格結構施工成形過程研究特別是實用張拉成形方法的研究對于該結構的推廣應用極為重要。本文著眼于結

6、構的實際應用，提出了兩種張拉方案：整體分次和分批分次，并由張拉方式對結構位移及受力特點的影響出發(fā)，從多個角度對結構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R向和Z向位移的滯后或超前效應影響不明顯，所以當依據結構設計、安裝進度或張拉設備數量限制等要求很難實現整體分次張拉方案時，分批分次張拉施工成形方案是一種較為理想的選擇。從結構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張

7、拉過程有一些影響，但對結構張拉終態(tài)影響很小，但就結構上弦軸力而言，須全面的進行成形全過程研究。分批張拉替代整體張拉時，適當加強的上弦環(huán)梁會在一定程度上減小分批張拉導致的不均勻性。 5)垂跨比和矢跨比是體內張拉成形網格結構重要的外形參數，以垂跨比和矢跨比為設計參數，綜合考慮結構內力多種性能，優(yōu)化結構外形。體內張拉成形網格結構形狀優(yōu)化問題即垂跨比和矢跨比影響研究不同于普通結構，因為普通結構的垂跨比和矢跨比多是針對荷載態(tài)效果而言，而體

8、內張拉成形網格結構則賦予了其全過程影響分析的含義，它既影響著結構成形性能，又通過預應力分布最終影響著結構受荷性能，同時又制約于結構成形受荷過程，是貫穿于結構全過程的重要因素。通過理論分析和試驗驗證詳細的從不同角度研究了其影響特點，對結構性能做了深入的形狀優(yōu)化研究，并據此就分析實例，提出了較為合理的矢跨比和垂跨比組合的結構外形。研究發(fā)現：與把“下弦張拉到水平”作為結構成形的目標相比，將下弦張拉到有一定垂度，并與相應的上弦矢高配合，可能更為