大跨度空间索梁和索桁结构关键技术研究

摘要

预应力钢结构是一种充分利用高性能材料的“节能环保、绿色低碳”结构体系，符合国家“十二五”发展规划大力倡导的建筑结构发展方向。本文为满足预应力钢结构工程实践和发展的需求，系统研究了大跨度预应力悬索结构中的索梁和索桁结构；通过理论推导、数值模拟和模型试验，并结合工程实践及现场测试，重点阐述丫索梁和索桁结构的设计理论、优化设计方法、结构关键参数影响规律以及整体概念设计等关键问题，本文的主要内容和结论如下：
　　1)基于渐进结构优化方法，针对两种结构及对应的两种布索方式，采用APDL语言进行了参数优化分析，得到了两种腹索优化布置形式--斜腹索和平行腹索。在同等条件下，斜腹索和平行腹索索梁(桁)最大主索应力较为接近，而斜腹索索梁(桁)结构的刚度较大，整体性优于平行腹索结构。
　　2)采用变分法势能驻值原理，推导了索梁结构上悬索索力和腹索索力，索桁结构上、下悬索索力和腹索索力的解析表达式，与有限元分析结果对比，误差在4.2～22％之间。采用有限元方法对索桁结构进行参数分析，对比理论计算结果，给出了理论公式的修正系数。
　　3)通过对变高度曲梁的索梁结构非线性有限元全过程分析，在5倍标准荷载作用以内，结构变形呈线性；对不同索径的索桁结构非线性有限元全过程分析表明，索桁结构在上、下荷载数值比例限定时，上、下主索面积比位于0.5～1.5点区间内，结构刚度较好，呈线性桁架特征；在极限上吸风荷载作用下，索梁结构曲梁有由受弯曲梁演变为受拉钢拱的趋势，索桁结构刚度突变，表现出下悬索单索受力，有明显两阶段受力的特征。
　　4)采用蒙特卡罗法，敏感性分析结果表明，当以索的初始张力偏差为目标时，结构目标性态对跨中腹索的索长误差较为敏感，对两侧腹索的敏感性较小；当以结构的最大位移为目标时，结构目标性态对跨度为L/4和3L/4处腹索的索长误差较为敏感，对其余部分腹索的敏感性较小。索桁结构背拉索和上悬索被动拉力对下拉索初始拉力较为敏感，而下悬索被动拉力对自身初始拉力较为敏感。
　　5)吉林速滑馆(索梁结构)工程实践表明，与整体模型计算结果相比，采用单榀模型能较为合理地分析该种空间结构；风荷载组合作用下的结构静力反应大于风荷载作用下结构动力响应，可作为结构设计的控制荷载组合；多次张拉是消除钢索残余应变、体系初始拉力建立、结构成型的有效手段；根据初始变形量分析，初张力主要是帮助结构找形，建立初始刚度，对后期结构变形增量影响不大；现场测试表明，钢索索力与有限元分析结果相比误差在-16.51～1.83％范围内，钢索安装及预应力张拉精度满足结构设计要求。
　　6)索桁结构模型试验表明，加载初期，上、下悬索应力增长明显，加载后期应力变化趋缓，结构变形增长较快；预应力多次张拉时，前8级张拉以应力控制为主，结构几何稳定后，预应力张拉以控制结构变形为主；上、下悬索在卸载后的残余应变值显示，反复张拉可有效消除大部分钢索残余应力；正负向25级加卸载，反映出索桁结构明显的两阶段受力趋势；试验结果与有限元分析结果比对误差在1.11～14.65％范围内，可满足工程精度的要求。
　　7)根据结构理论分析、参数分析和模型试验的结论，给出了悬索结构概念设计方法和流程，并用设计算例加以说明。基于从空间结构简化到平面结构，再从平面结构简化到结构构件的设计思路，通过对单个构件的力学解析，得到矢跨比和相关构件的设计截面；此概念设计方法是进行方案比选和设计结果审核等一种实用、有效办法。