无锡市映月湖人行桥造型新颖独特,结构形式为三跨独塔双索面异形斜拉-刚构桥,两根圆形细长塔柱各自独立空间倾斜设置,双塔呈V字形,斜拉索为空间布置.主梁横向及纵向均呈波浪形,全桥呈现为S型反对称的空间形态,倾斜塔柱长径比达到35.6.本桥主塔及梁体皆为空间结构且尺寸较小,受力复杂,稳定与平衡问题突出,建筑形态与结构的矛盾较为尖锐.结构设计时针对梁体反扭形态所带来扭转作用力,通过调整索力控制梁体平衡,并在桥塔位置采用圆形承台形式抵消扭矩.通过合理布置跨径增大桥梁刚度,减少中支点负弯矩值.钢-砼组合梁桥面板采用预应力群钉锚固技术,并针对人行桥的舒适度问题进行了专题研究,预留阻尼器连接构造措施.文中介绍了该斜拉桥结构设计中的关键技术问题及措施.
空间钢结构因其造型美观、可塑性强,多应用于艺术中心、体育场馆等空间需求较高的建筑结构.但由于结构跨度大、体系复杂、施工难度高,且受力状态受施工过程影响较大,应针对不同结构提出可行的施工方案并进行有效的分析论证.依托嘉兴文化艺术中心美术馆大跨屋盖空间桁架为研究对象,制定其施工方案和应力监控方案,基于MIDAS Gen软件,模拟屋盖空间桁架施工过程,并与实测关键截面应力值对比分析.研究表明,美术馆屋盖空间桁架在支撑拆除后,悬挑端位移及应力较大,最大应力值达到约150MPa,但各工况位移及应力满足限值要求.屋盖空间桁架的应力增量模拟与实测值对比显示,各工况结构的应力状态稳定,钢材处于弹性工作阶段,实测应力增值与模拟值基本吻合,变化趋势一致.空间桁架施工方案合理,可行性较好.采用临时支撑处位移监控与关键点应力增量监控相结合的方法,辅以有限元分析,可较好实现施工过程监控.
采用时程分析法对某复杂环形连体结构进行了多点三向地震反应分析,地震波视波速分别取为200,500和1000m/s.对多点激励与一致激励下的基底剪力以及重要构件的内力进行了比较,分析了不同视波速的影响.针对不同构件类型,给出了考虑多点激励影响的地震作用效应系数.结果表明:多点激励下的结构基底剪力小于一致激励下的基底剪力;行波效应对结构底层框架柱、桁架斜腹杆、桁架竖杆的内力影响均较小;对桁架弦杆的内力影响较大,需对不同截面杆件的行波效应按包络统计复核.
游泳馆主体结构为钢筋混凝土框架结构,屋盖为张弦结构与网壳结构的混合体系.通过屋盖在规范风荷载与风洞试验风荷载下竖向位移与构件应力比较确定了风荷载设计取值.索在零状态、初始态下的变形确定了索初始预张力,并查看荷载态下的位移满足规范限值.比赛池采用无梁楼盖,相对于传统梁板式楼盖能够增加池下净高.外圈支撑屋盖斜柱在柱顶环梁顶部与底部弯矩的比较揭示了环梁能有效改善柱顶部弯矩.屋盖重力沿屋面斜向的分力由张弦梁支座抵抗,沿屋盖坡向越到下部力的累加越大,通过支座根部设置斜撑杆,减少了销轴支座平面外力.大跨度张弦屋盖变形较大,系杆通过销轴转动连接解决了与网壳屋盖变形不协调的问题.
通过节点和局部构形刚度参数,准确预测了单层柱面网壳施加缺陷前后的失稳节点及失稳区域.分析得出,结构存在初始缺陷后,稳定承载力降低是由于初始缺陷的存在降低了结构部分节点及区域的构形刚度,形成了薄弱区域.依据结构等稳定性优化思路,利用改变部分杆件截面尺寸进行局部构形刚度调整,使结构构形刚度趋于均匀,从而提升单层柱面网壳结构的稳定性能.各优化方案结果比较表明,构形刚度均匀化可有效确定单层柱面网壳的优化区域、杆件优化数量以及截面优化程度,快速提高网壳结构的稳定承载力并使结构接近等稳定性.单层柱面网壳稳定性的高效优化方向为横向跨度方向.
为了探究织物膜材在预应力作用下的剪切力学行为,提出了图框剪切试验设计方法和测试方案,研制了图框机构.对织物膜材进行图框试验,研究织物膜材在双轴拉应力与剪应力耦合作用下的力学行为.给出了织物膜材的剪应力-剪切角曲线与图框试件变形过程.针对十字形试件的图框试验,探究了膜材拉剪耦合应力分布规律,建立考虑切缝及过渡区影响的数值模型,实现了图框试验的全过程模拟.
地震发生时,有时伴随着强风天气.多灾害的耦合作用造成的结构破坏损失可能远大于任一单独灾害作用造成结构破坏损失的简单叠加.本文选用地震峰值加速度(PGA)和风速(V)为参数,通过Copula函数构造地震与风的联合概率密度分布函数,基于土-结构相互作用模型,分析了单层球面网壳结构在地震和风耦合下的动力响应特征和易损性.研究表明:地震和风耦合后结构的易损性增大,且V值越大,结构易损性越大,易损性增加的幅度越大.结构处于"严重破坏"和"倒塌破坏"状态时,风速对易损性的影响更明显,在"严重破坏"和"倒塌破坏"状态下考虑地震和风的耦合作用更有意义.
以济宁市某大跨度干煤棚项目为背景,对结构的抗风和稳定性能进行了研究.首先为确定这种大跨度结构的风荷载取值,进行了风洞测压试验,获得结构的风压系数和风压,通过数据处理得到结构的极值风压,并进行数值模拟分析得到结构风致响应.之后,应用有限元软件ANSYS分别计算了结构的线性屈曲特征值、几何非线性及几何、材料双重非线性的极限承载力,讨论了不同初始缺陷值对结构极限承载力的影响.结果表明:结构主要在迎风面受风压力,在顶部和背风面受风吸力,其顶部的风吸力在0°风向角下达到最大;结构位移响应以竖向为主,在180.风向角时出现较大位移;结构在线性屈曲分析下的承载力较高,在不同初始缺陷下结构的极限承载力稍有降低,考虑几何和材料双重非线性后的结构承载力相较于线性分析降低了75％,但仍高于设计荷载,满足规范要求.
对高强方钢管轻骨料混凝土桁架加劲X型节点和基本型X节点进行了静力加载试验.结果表明,加劲节点的破坏模式有加劲板与压剪支管焊缝开裂、压剪支管翼板被加劲板拉开和压剪支管在靠近加劲板外端截面剪压破坏,基本型节点的破坏模式为支主管焊缝开裂.加劲节点的焊缝开裂载荷和极限承载力较基本型节点分别提高63.3％和18.3％.根据加劲节点试验破坏模式,利用ABAQUS有限元仿真模拟,推导了加劲X型节点的支主管焊缝开裂承载力、支主管局部屈曲承载力计算式.经与试验结果对比,验证了提出的加劲节点承载力计算式的精度.
大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶结构是一种新型结构形式,针对这一特定的结构体系,基于二次奇异值分解法,结合MATLAB计算程序得出结构整体可行预应力,建立ANSYS有限元模型进行验证并分析该结构在恒载、活载、风载及温度荷载作用下的内力及位移关键响应.进一步研究厚跨比、预应力倍数及矢跨比等参数对结构静力性能的影响.分析表明,大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶结构具有良好的静力性能,整体刚度大.给出结构厚跨比、预应力及矢跨比的合适取值范围,为大开口鼓蜂窝四撑杆索穹顶的工程应用提供了参考依据.
为了简化结构火场温度边界条件,实现FDS火场模拟与后续的结构传热分析和热力耦合分析的无缝衔接,提出利用人工神经网络技术建立大空间火灾温度场预测分析模型的方法.根据大空间结构以及BP网络的特点,首先运用FDS分析大空间结构火灾场景;其次选择坐标和时间4个参数为输入向量,以火场温度为输出向量,建立BP神经网络模型;然后以FDS火灾模拟温度数据为样本,对网络模型进行训练和预测,建立大空间BP神经网络火灾温度场分析模型.结果表明,采用3层人工神经网络模型可以较好预测大空间结构的火灾温度场,预测结果温度场空间分布的相对误差在15％以内,温度场时程分析的相对误差在10％.
讨论了一种可用作为圆柱形结构蒙皮的曲线折痕折纸形式.该蒙皮形式无需裁剪,便于快速铺展折叠,具有更好的伪装性.介绍了该折纸形式的折叠方法和特点,阐述了曲线折痕折纸的数学描述方法,分析了折痕和曲面的几何特征以及相邻折痕间的约束条件.针对圆柱形折纸形式,给出了其折痕曲线的约束方程和形状求解方法.理论上说明了折痕曲线一般可以自由给定,但其相邻折痕必须满足该约束方程.对两种典型折纸形式进行折痕分析和求解,并通过模型制作验证了所提出的构成分析方法的正确性.
对高温下螺栓球柱节点的受拉性能开展了有限元分析和理论研究.首先,借助ABAQUS有限元分析软件建立并校核了节点模型的可靠性;接着,通过参数分析探究材料高温性能变化对节点承载性能的影响;最后,基于大量模型计算,推导并完善节点的高温受拉承载力公式.研究结果表明,高温作用下空心圆柱体外径、厚度和高度对节点承载性能的影响更为显著.当温度超过300℃时,节点的承载性能下降幅度较大,且变化趋势与钢材屈服强度的折减趋势十分接近.
瓯海奥体中心体育馆共设8000座,屋盖造型为东西向高、南北向低的圆柱面,展开面积约10767m2,最大跨度100.6m.屋盖结构采用弦支网壳结构体系,拉索布置放弃了传统的环索+径索布置体系,而采用北京工业大学薛素铎教授提出的无环索交叉索系,为国内外首例该索系工程.本文主要介绍屋盖结构体系选型分析过程.首先,结合建筑造型及结构设计合理化需求,对各种备选结构体系进行了比选.随后,根据选定的弦支网壳结构体系进行了张拉索系的对比分析.最后,对上弦网壳布置、拉索布置、支座条件进行了对比优化,并依据经济性对比结果选定结构体系.研究结果表明:通过合理的结构选型及体系优化,本工程屋盖能够非常好地满足建筑美观要求、结构合理性要求、结构安全性要求及设计施工整体经济性要求.
预应力空间结构的稳定性分析是结构分析中的一个关键问题,如何准确计算结构的稳定极限承载力是结构设计必须考虑的问题.以杭州黄龙体育中心主体育场屋盖网壳结构为例,首先基于实测索力,利用张力补偿法对有限元模型进行预应力修正;然后在两种荷载工况下,对该结构进行非线性稳定性分析;最后研究整体及不同位置拉索松弛对结构稳定性的影响.研究结果表明:基于实测索力的结构稳定性较理论模型略有降低;拉索整体松弛情况下,结构稳定性下降明显;不同位置索松弛对结构稳定性的影响程度不同,其中内侧索松弛造成的结构稳定性下降最为明显.
对承担拉力荷载的铝合金螺栓球节点螺纹轴向力的分布特性展开了研究.首先建立了精细化有限元模型,对所有可能影响螺纹轴向力分布的因素展开了参数化分析,发现球体材料与螺栓拧入深度是最主要的影响因素.继而根据模拟结果探究了节点在弹性阶段与破坏荷载下螺纹轴向力的分布特性.最终通过建立节点的简化力学模型进行理论推导,并结合模拟结果得到铝合金螺栓球节点螺纹轴向力分布的计算公式.
特高压输电是目前世界上最先进的输电技术,具有输送容量大、送电距离远、线路损耗低和占用土地少等优点,得到越来越多的应用,其中,特高压长悬臂输电塔起着非常重要的作用,因此有必要对其进行鲁棒性分析.首先基于应变能对结构的构件重要性系数进行了分析,鲁棒性与结构中重要性系数最大的构件有关,在此基础上,对结构的鲁棒性进行研究.其次为了提高结构的鲁棒性,对结构的构件布置形式进行优化,使得主体结构的斜材得到充分利用,提供备用传力路径,降低了结构中构件的重要性系数,结构的鲁棒性从优化前的2.18变为4.03,提高了1.85 倍.
温州体育中心主体育场上部钢罩棚体量巨大、悬挑较长,结构体系、细部构造设计决定结构整体稳定性和抗连续倒塌能力.采用SAP2000有限元软件建立整体计算模型,进行计算分析,衡量结构整体性能指标;对结构进行线性屈曲与非线性稳定性分析,以屈曲因子衡量结构整体稳定性;采用备用荷载路径设计法进行抗连续倒塌设计,以局部构件失效后验算剩余结构是否具有抗连续倒塌的能力;采用ANSYS软件对支座节点进行有限元分析,采取构造措施有针对性地解决节点应力集中现象.结构概念设计与精细化分析表明,温州体育中心主体育场上部钢罩棚采用径向悬挑主桁架+环向次桁架+水平支撑结构体系,结构整体稳定性好,有较强的抗倒塌能力,结构体系选择合理.针对大体量、长悬挑结构,采用径向悬挑主桁架+环向次桁架+水平支撑结构体系,较好地解决结构整体稳定性、抗连续倒塌能力问题,为类似钢罩棚设计提供参考.
对2个装配式高强钢筋混凝土框架节点试件与1个现浇高强钢筋混凝土框架节点试件进行低周往复荷载试验.对比分析节点试件的破坏形态、延性及承载力等抗震性能指标和钢筋应变、连接杆应变等受力性能指标.试验结果表明:各试件节点均为核心区剪切破坏,钢纤维的加入可以有效减小核心区裂缝宽度,有效改善节点核心区破坏形态;装配式节点承载力比现浇节点有显著提高,但装配式节点的延性比现浇节点稍差;装配式节点的核心区箍筋达到屈服强度,连接杆能够充分发挥作用,装配式混凝土节点的受力性能优于整体现浇混凝土节点.运用ABAQUS对各节点试件进行有限元模拟,分析轴压比、钢筋钢板强度等级等因素对装配式高强钢筋混凝土节点受力性能的影响.钢板强度等级对节点受力性能影响较大.有限元分析结果与试验结果吻合良好,建立的模型能够用于模拟装配式混凝土节点的抗震性能.
以拟建60m跨度的钢空腹夹层预应力组合扭网壳为研究对象,对结构进行模态和地震作用下的动力性能分析.考虑了水平、竖向和组合地震作用对结构动力稳定性临界加速度的影响,结果表明:三种地震作用下的动力稳定性明显不同,弹性动力稳定性明显大于弹塑性.随着结构矢跨比的增大,结构的动力稳定性明显降低.增大钢空腹夹层板的肋截面尺寸可以显著提高结构的刚度,从而增大其动力稳定临界加速度.有阻尼比无阻尼时结构的动力稳定临界加速度增大了 37.96％,故在计算结构动力稳定性时必须考虑.初始几何缺陷使地震作用下组合扭网壳结构的动力稳定性临界加速度显著降低,工程设计中应引起重视.预应力大小对扭网壳动力稳定性临界加速度影响较大,应根据结构跨度和屋盖高度等因素控制在一定范围内.
