内凹式索—拱结构平面内极限承载力理论分析及试验研究

摘要

内凹式索拱结构是新广州站工程采用的一种新型索拱结构，该结构将拉索和撑杆引入拱结构中形成一种新型的杂交索拱结构。内凹式索拱结构造型美观、建筑净空大、张拉工序简单，索拱中拉索的设置能够有效地控制拱结构的挠屈变形，调节拱身内力构成，从而大大增强拱体的强度、刚度以及稳定性能，并可以调节拱脚推力，减轻支座负担，因而能够适用于更大的跨度。 本文完成了内凹式索拱结构在正常使用阶段和极限破坏阶段的静力加载试验，进行了试验模型的非线性有限元分析和索拱结构平面内弹塑性极限承载力研究，在以上工作的基础上，深入了解了该结构的内力和变形规律、结构的破坏过程和失效模式，并对影响结构承载能力的关键参数进行了分析，主要内容如下： (1)完成了两榀索拱模型在不同荷载工况下正常使用阶段和极限破坏阶段的静力加载试验，对试验现象和数据进行了分析，分析了各种工况下索拱结构的内力和变形规律，了解了该结构形式的受力特性、破坏过程和失效模式。 (2)利用通用有限元软件ANSYS，建立了索拱结构的计算模型，对试验过程进行仿真计算，验证了计算模型和数值分析的正确性，并对内凹式索拱结构的力学性能进行了探讨。 (3)结合前面的工作，采用弧长法对索拱结构的荷载-位移平衡路径进行跟踪，针对内凹式索拱结构的关键参数进行平面内极限承载力研究，分析了各关键参数对内凹式索拱结构极限承载力的影响，并给出一些有价值的建议。 试验研究和数值分析表明：(1)内凹式索拱结构中拉索的设置能够有效地控制拱的挠屈变形，增加结构刚度，减小上弦拱的弯曲应力，调节拱体的内力构成，提高拱结构的极限承载力。(2)在设计荷载对应的正常使用阶段，结构分析采用线性分析方法可以满足工程精度的要求；但荷载较大时，内凹式索拱结构的几何非线性比较明显，应当同时考虑材料非线性和几何非线性的影响。(3)内凹式索拱结构中，撑杆对结构的力学性能影响较大，增加撑杆数量可以增大撑杆所在位置的局部刚度，从而增加结构的整体刚度；增大拉索的截面积可以有效地增加结构的刚度，减小拱身的弯曲应力，改善拱结构的受力性能；初始张拉力对结构的刚度影响很小；支座约束条件对内凹式索拱结构的力学性能影响很大，支座的水平抗侧刚度越大，结构竖向变形、轴向应力和弯曲应力越小，轴向应力占总应力的比重越高。(4)影响结构平面内极限承载力的主要因素有：索与撑杆的连接方式、拱的矢跨比，索的矢跨比、面积比、拉索初张力等。索与撑杆宜采用不可滑动的铰接约束；拱的最优矢跨比约为0.15左右；索矢跨比取值应小于0.1；考虑经济性因素，拉索面积应取拱截面积的5％左右；初张力对结构极限承载能力影响较小，初张力的确定应当以平衡恒载作用下结构的水平反力为宜。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1索拱结构的产生

1.2索拱结构的应用

1.3索拱结构的特点及主要形式

1.4索拱结构极限承载力研究现状

1.5本文的研究思路及主要工作

参考文献

第二章内凹式索拱结构试验

2.1试验目的

2.2试验模型设计

2.3模型相似关系

2.4模型加工制作

2.5模型材性试验结果

2.6试验加载设计

2.7测试方案及试验仪器

2.8静力试验结果与分析

2.9试验误差分析

2.10本章小结

参考文献

第三章内凹式索拱力学性能研究

3.1计算模型建立

3.2非线性的影响

3.3非线性的分析方法

3.4线性与非线性计算结果比较

3.5试验模型的数值分析

3.6内凹式索拱结构的受力机理

3.7撑杆对结构刚度的影响

3.8面积比对结构刚度的影响

3.9索拱结构的初始张拉力

3.10支座约束条件对力学性能的影响

3.11本章小结

参考文献

第四章内凹式索拱平面内极限承载力研究

4.1计算模型选取

4.2极限承载力的研究方法

4.3索与撑杆连接方式对结构极限承载力的影响

4.4拱矢跨比对结构极限承载力的影响

4.5索矢跨比对结构极限承载力的影响

4.6面积比对结构极限承载力的影响

4.7初张力对结构极限承载力的影响

4.8本章小结

参考文献

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢