大跨度预应力空间钢结构施工过程分析与索力优化研究

摘要

张弦梁结构是大跨度预应力钢结构当中一种典型的结构形式，在大型公共建筑中得到了广泛应用，并发展出多种张弦结构类型。张弦梁结构是由刚性上弦和下弦柔性索共同受力的结构形式，在施工过程中除了对刚性桁架的吊装要求比较高以外，更重要的是对于下弦柔性索在施工过程中的张拉力控制。在张拉下弦索的施工过程中，随着张拉力的输入也伴随着边界、位移等条件的不断变化，随着这些变化的产生，整个结构的受力也不断发生着变化。因此而产生的效应积累，对结构的最终受力形态产生影响，造成与设计形态不符。为尽可能减小施工过程中产生的力学变化对结构的最终设计形态的影响，并保证施工完成时结构的安全性，必须对张拉索进行张拉过程的索力优化分析和研究。
　　 本文以鹤壁市体育馆大跨度张弦管桁架钢屋盖作为研究对象，针对该类大跨度张弦桁架结构在施工过程中的力学特点，主要完成以下工作:
　　 通过文献查阅和分析，总结出适合大跨度张弦梁结构的3种典型的索力优化方法。以双向张弦梁为例，用有限元仿真分析验证了逆分析法、位移补偿法和张力补偿法对张弦梁结构索力优化的适用性。并根据以上3种方法的可操作性和简便性，得出张力补偿法是适用于张弦梁结构索力优化的最佳方法。
　　 对鹤壁市体育馆大跨度预应力张弦管桁架钢屋盖结构进行施工力学仿真分析，分析在施工过程中由于边界条件和荷载情况发生变化而引起的受拉和受压构件的力学性能变化特征，得出结构的最终杆件受力和位移变化符合设计状态的结论。并对钢屋盖进行了屈曲分析和非线性分析，保证了在施工过程中不会由于柔性索的张拉而出现上弦杆件的屈曲破坏，完成对施工过程的控制分析。
　　 应用张力补偿法针对钢屋盖的下弦柔性索进行张拉索控制力的优化研究，比较了先长后短、先短后长及原施工张拉等3种索力优化方案，通过改变张拉顺序和张拉力大小，分析结构的最终受力形态和设计状态的差别，总结得出拉索施工控制中的张拉力大小和张拉批次的一般规律，得出了对于鹤壁市体育馆钢屋盖工程这一典型的大跨度预应力张弦管桁架结构索力张拉的最优方案。研究结论可供同类型工程参考。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 选题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 预应力空间钢结构的发展与应用

1．2．2 预应力空间钢结构施工过程力学分析

1．2．3 预应力空间钢结构索力优化与控制

1．3 本文的主要工作

2 预应力空间钢结构施工力学分析原理与方法

2．1 预应力空间钢结构的施工技术与方法

2．2 施工力学分析基本原理

2．2．1 施工力学计算过程

2．2．2 施工力学非线性数值分析方法

2．3 施工过程仿真模拟分析方法

3 预应力空间钢结构索力优化方法

3．1 索力优化方法

3．2 逆分析法

3．2．1 逆分析法原理

3．2．2 算例

3．2．3 计算结果与分析

3．3 位移补偿法

3．3．1 位移补偿法原理

3．3．2 算例一

3．3．3 算例二

3．3．4 计算结果与分析

3．4 张力补偿法

3．4．1 张力补偿法原理

3．4．2 算例

3．4．3 计算结果与分析

3．5 小结

4 大跨度预应力空间管桁架施工仿真分析与索力优化

4．1 工程概况

4．1．1 工程简介

4．1．2 钢屋盖吊装方案

4．1．3 索张拉施工方案

4．2 有限元建模

4．2．1 几何参数与材料特性

4．2．2 边界条件

4．2．3 施工阶段的划分

4．3 施工过程仿真分析

4．3．1 静力分析

4．3．2 稳定性分析

4．4 索力优化研究

4．4．1 基于内力控制目标的索力优化分析

4．4．2 基于位移控制目标的索力优化分析

4．4．3 索力优化设计总结

5 结论和展望

5．1 本文所得主要结论

5．2 进一步工作的展望

参考文献

致谢

个人简介、在校期间发表的学术论文与研究成果