超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交预应力空间网格结构研究及应用

摘要

随着现代建筑美学的发展和使用功能的要求，现在的结构物跨度越来越大，于是出现了将现代预应力技术与空间网格结构相互结合形成的一种技术经济性能优越的结构形式——预应力网格结构。其研究已取得不少成果，但深度和广度还不够，仍需在一些方面作深入研究，如正在建设的贵阳奥林匹克体育中心主体育场工程，采用超限大悬挑并且具有正高斯曲率的平面管桁架斜交预应力空间网格结构，其预应力机理复杂、存在争议，相关研究及工程实例在国内外并不多见。本文以此实际工程为背景，针对此工程设计进行预应力效果的分析，并提出若干合理建议。
　　贵阳奥林匹克体育中心主体育场的看台挑篷最大悬挑近50米，采用两向斜交管桁架结构，通过局部施加预应力来提高结构刚度，曲线索位于悬挑一侧，且预应力索未延伸至结构的有效受力部位。本文首先对此设计方案进行了静力特性及力法分析，按常规的“预应力钢网格结构分析方法”即“结构成型态内力分布”加“结构荷载态内力分布”（各种工况）等于“结构使用态内力分布”，通过有限元方法对结构进行分解分析，分析了此预应力布索方案的正、负效应。
　　本文提出了另外三种预应力建议方案进行对比分析，探寻较合理的预应力方案以便更好地发挥预应力空间网格结构高效、高强的优势，更加科学、合理地指导工程实践。
　　本课题进行了1/10缩尺模型试验，从试验的测试结果来看，理论值与实测值符合较好，说明本文理论分析采用的有限元方法的可行性、准确性，也进一步证实了理论分析中所得出的预应力的正、负效应。通过缩尺模型试验，对这种新型预应力空间结构的力学性能有了更深入的认识，为工程应用奠定了基础。
　　最后本文得出结论，沿上弦曲线布索的原预应力方案的预应力正效应效果不显著，从大部分杆件的经济效益角度出发，应考虑使挑蓬下弦也能产生正效应，并考虑预应力索未延伸至结构有效受力部位的不利影响。因此本文认为若采用此方案布索，引入预应力对提高结构刚度，改善结构内力分布效果不如本文提出的三种预应力建议方案。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 国内外预应力空间网格结构的发展和研究现状

1.2 本课题的主要研究内容及方法

1.3 本课题的研究意义

第二章 预应力网格结构设计基本原理和方法

2.1 预应力钢结构的工作机理

2.2 预应力空间网格结构的特点及常用布索方式

2.3 大悬挑桁架的常用布索方式

2.4 预应力空间钢网格结构的计算方法简述

第三章 超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交预应力空间网格结构的有限元分析

3.1 有限元概述

3.2 有限元理论的历史

3.3 超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交预应力空间网格结构的有限元基本假定

3.4 空间梁－柱单元非线性有限元法 [2]

3.5 空间拉索单元的有限元法 [2]

第四章 超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交空间网格结构采用上弦单向曲线预应力方法的静力分析

4.1 概述

4.2 结构静力特性及力法分析

4.3 基于通用大型计算机分析软件 ANSYS 10.0 进行有限元分析

4.4 采用沿上弦曲线布索预应力方案的综合评价

第五章 超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交空间网格结构采用其它几种预应力方法的静力分析

5.1 概述

5.2 超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交空间网格结构预应力的三种建议方案

5.3 基于通用大型计算机分析软件 ANSYS10.0 进行有限元分析

5.4 各预应力方案优、缺点对比分析

5.5 节点构造设计

第六章 超限大悬挑正高斯曲率平面管桁架斜交预应力空间网格结构的试验与分析

6.1 概述

6.2 试验目的及内容

6.3 试验模型设计与制作

6.4 试验

6.5 试验结果及分析

6.6 试验结论

第七章 结论及展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

致谢

参考文献

附录一：攻读硕士学位期间发表的部分论文

声明