多次預應力鋼結構理論與試驗研究.pdf

1、預應力鋼結構是鋼結構領域的一個新體系，可以創(chuàng)造新穎的鋼結構形式和獨特的建筑風格。將預應力引入鋼結構，可以充分發(fā)揮材料強度潛力，減少用鋼量，同時還可以改善結構構件受力狀態(tài)，降低應力峰值，增大結構剛度和穩(wěn)定性，改善結構靜、動力特性。多次預應力鋼結構通過預應力→加載→預應力→……分多級施加預應力，不僅可以反復利用材料彈性界限內的抗壓與抗拉強度，進一步提高結構承載能力，節(jié)約材料，產生更大的預應力效益，而且能夠利用多次預應力，實現更大跨度的空間結

2、構形式。 本文通過理論分析、數值模擬和模型試驗等研究手段，對多次預應力鋼結構的穩(wěn)定、優(yōu)化、靜動力特性及抗震性能進行了研究，論文的主要研究工作和相應研究成果如下： 1.基于非線性有限元原理對預應力空間鋼結構進行了穩(wěn)定性能分析。以預應力拱桁架為對象進行了特征值屈曲分析、采用弧長法和牛頓-拉斐遜法進行了荷載-位移全過程屈曲分析，采用一致缺陷模態(tài)法進行了考慮初始缺陷下的結構非線性屈曲分析。得出了預應力拱桁架結構的平面外失穩(wěn)特點，

3、得到了預應力對結構穩(wěn)定的影響規(guī)律，并指出了Ansys進行預應力鋼結構屈曲分析的一些缺陷，對今后此類工程的設計具有一定的指導作用。 2.提出了預應力和截面優(yōu)化的數學模型及求解方法。在綜合對比預應力鋼結構分析中引入預應力的各種方法的基礎上，首次提出了以拉索初始應力為設計變量、以結構桿件應力平方和最小為目標函數進行預應力優(yōu)化的方法，并在此基礎上建立了結構重量最輕為目標函數、預應力和截面兩級優(yōu)化的預應力空間鋼結構優(yōu)化設計模型，該模型考慮

4、了結構應力約束、位移約束條件、長細比約束和變量上下限約束，并且同時考慮了桿單元和梁單元兩類單元的穩(wěn)定約束。編制了相應程序，算例表明所提出方法不僅可以滿足工程優(yōu)化設計需要而且可以較快地收斂得到滿意的優(yōu)化結果。 3.針對多次預應力鋼結構施工特點發(fā)明了一種在支座張拉端具有十字交錯開槽環(huán)狀夾片的多次張拉錨具的可滑移彈性減震支座。該支座利用鉛芯橡膠墊作為彈性減震體。對該支座進行了力學性能研究及鉛芯橡膠墊性能試驗，建立了支座的力學模型，得到

5、了鉛芯橡膠墊的分析模型及各種相關性能。該支座在施工過程中可相對于支撐柱產生一定的滑移和轉動，大大減小施工過程中支撐柱頂的水平反力，在施工完成后可使支座與支撐柱具有可靠的連接，傳遞軸向力與一定的剪力，并能在水平方向產生一定彈性變位和轉動，適用于預應力網殼、預應力桁架、預應力網架和預應力拱結構等建筑結構形式。 4.進行了多次預應力拱桁架模型靜力分析和靜力試驗研究?？偨Y了索力測量的各種方法，通過多次張拉預應力索分級加載，驗證了作者研制

6、的可滑移彈性支座在張拉過程中的性能，測試了多次張拉過程中拱桁架構件的應力及結構的位移變形，并與理論計算結果進行了對比。理論計算與試驗結果吻合較好，結果表明多次施加預應力可以有效降低結構內部應力峰值，增大結構承載能力。 5.分別提出了通過結構最終索力求索初始應變和通過結構位移反算索內力的實用方法，將所提出的方法用于試驗模型的數值分析，計算結果與試驗結果比較吻合。該方法實用準確，便于工程人員掌握，可用于施工驗算和靜力計算。

7、6.研究了多次預應力拱桁架結構的自振特性。通過模態(tài)分析得出了多次預應力拱桁架結構自振特性的特點。進行了多次預應力拱桁架結構的激振試驗，試驗分析了荷載大小、拉索預應力值及支座約束形式對結構自振頻率、阻尼比、振型等自振特性的影響?？蔀榻窈蟠祟惤Y構的設計和動力分析提供一定的指導。 7.進行了預應力拱桁架結構模型振動臺試驗研究。采用時程分析法對預應力拱桁架結構進行地震作用下的結構分析，通過預應力拱桁架模型振動臺試驗，研究了不同支座條件、