南京奥体中心主体育场屋盖结构分析与试验研究

摘要

近几年来，我国大跨空间结构的研究和应用得到飞速的发展，新结构、新材料和新技术被大量采用，越来越多新的空间结构形式被提出并采用。南京奥体中心主体育场屋盖结构就是突出的新颖结构之一。本文作者近两年承担了该屋盖结构的大量设计计算和研究工作。本文在已有的国内外大跨度空间结构研究的基础上，以南京奥体中心主体育场屋盖结构为研究背景，提出和完善了这一类杂交空间结构的分析理论和方法；并在有限元分析的基础上进行了试验研究，同时，用试验验证了理论计算方法的正确性和可靠性。本文主要研究内容如下： (1)结构的静力分析和参数分析本文采用有限元分析手段，建立了奥体中心主体育场屋盖结构的三维计算模型，详尽分析了在恒载、使用活载、温度荷载和不利风荷载作用下结构的内力、位移和力流方向等静力特性。在风荷载的计算和分析中，直接利用风洞试验结果，本文所用方法为风洞试验数据直接用于有限元模型的计算进行了有效的探索。通过对屋盖结构主要参数的分析，为结构的合理优化提供了理论基础，同时为以后类似工程的设计提供了一些有用的建议。 (2)结构的抗震性能分析对于复杂的大跨度屋盖结构，不仅要进行地震反应谱分析，还必须进行时程分析。本文在屋盖结构的地震反应谱分析中，创新地解决了结构计算模型及其简化问题，探讨了下部混凝土结构对上部相对较柔的钢屋盖的地震反应产生的影响，将两自由度简单体系的修正方法应用于相类似下刚上柔的复杂的大跨度结构；而且该方法还可作为一个功能附加到ANSYS有限元软件上。通过南京奥体中心主体育场钢屋盖在不同模型下的地震反应谱分析和比较，证明了本文提出的这类修正方法在复杂工程上应用的可行性。 本文对屋盖结构在非一致地震作用下的时程分析中，分别采用了大质量法和相对运动法。大质量法是作者第一次将其引入并应用于大跨空间结构的分析。在一致地震输入的时程分析中，大质量法求得的结果与用得比较多的相对运动法作了比较：接着采用大质量法分析了地震波沿着X方向、Y方向传播的非一致输入时结构内力的变化；并进行了在非一致地震输入下屋盖结构的弹塑性时程分析，找出了罕遇地震作用下的结构的薄弱部位，为工程设计提供了科学依据和分析方法。 (3)薄壁箱梁的约束扭转分析在复杂大跨空间结构中考虑箱梁的约束扭转，迄今没有相关的文献资料。本文比较了按不同约束扭转理论求得箱梁约束扭转的位移和应力结果：根据符拉索夫广义坐标法的初参数方程创造性地推导出精度很高的单元刚度矩阵，将二次开发的单元直接用于有限元计算；用该有限元单元可以方便地探讨横隔板布置对薄壁杆件扭转结果的影响；文中还详细比较了不同横隔板布置下的结果和按乌曼斯基理论求得的结果，不但完善了乌曼斯基理论的使用，提出了相关的条件，而且进一步证明了作者推导的符拉索夫广义坐标法单元的正确性和合理性。(4)结构稳定性分析本文对屋盖结构进行了特征值屈曲分析，探讨了荷载组合、内环梁矢跨比、内环梁截面特性以及下部混凝土结构对上部钢屋盖弹性屈曲值的影响，同时为随后的非线性稳定分析提出了合理的设计初始缺陷。在屋盖结构的非线性稳定性分析中考虑了几何非线性、材料非线性和根据一致缺陷模态法得出的初始缺陷(内环梁初始缺陷和拱初始缺陷)，采用Newton-Raphson迭代法得到了荷载一位移全曲线，为屋盖结构的破坏状态分析提供计算依据参考，而且这一创新思路和方法还可以用来判断结构对缺陷的敏感性。本文还进一步分析了薄壁箱梁翘曲以及下部混凝土结构对上部钢屋盖极限承载的影响。 (5)试验研究试验以1/20整体屋盖模型为研究对象，研究该结构体系在平面内与出平面的稳定性，重点研究模型在竖向静载、温度荷载作用下的结构受力特性；进行了破坏荷载试验，得到结构在弹塑性和塑性阶段的反应。通过试验研究，不但对结构总体受力行为和状态进行了评估和判定，而且通过理论计算和试验结果的比较还验证了设计采用的计算模式的正确性及可靠性。本文分析了1/20试验模型在加载至设计荷载值和破坏荷载值过程中挠度和主要杆件应力的变化，将试验结果与试验模型的有限元计算结果进行比较。除此之外，还对实际结构卸掉支架后在自重作用下的挠度与实际结构有限元计算结果进行了比较，进一步验证了所采用的有限元分析的正确性及可靠性。 (6)对拱结构形式的探讨南京奥体中心主体育场中的拱倾斜45°后，其受力性能和竖向拱有很大差异，为了全面评判屋盖结构形式的优缺点，本文又将倾斜45°的拱单独取出进行内力分析，与不同跨度和不同倾斜角的拱进行了计算比较，为以后的大跨度工程新结构的分析提供了很好的参考。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2南京奥体中心主体育场屋盖结构简介

1.3国内外对大跨空间结构的研究现状

1.3.1国外的研究现状

1.3.2国内的研究现状

1.4大跨空间结构中的关键问题

1.4.1结构的选型与合理组合

1.4.2大跨空间结构的抗震问题

1.4.3大跨空间结构的抗风问题

1.4.4大跨空间结构的稳定问题

1.4.5大跨空间结构的试验研究

1.5本文的主要研究内容

第二章屋盖结构的选型及静力分析

2.1概述

2.2主体育场屋盖结构选型分析

2.2.1若干场馆工程简介

2.2.2建筑设计特点

2.2.3结构初步设计

2.3结构构成及有限元法分析

2.3.1结构示意图及有限元模型的建立

2.3.2主要单元介绍

2.4荷载条件及荷载组合

2.4.1恒载

2.4.2活荷载

2.4.3温度作用

2.4.4风荷载及风洞试验结果

2.4.5地震作用

2.4.6荷载组合

2.4.7导荷法则

2.5单独及组合荷载作用下的结构分析

2.5.1结构力流导向

2.5.2单独荷载作用

2.5.3组合荷载作用

2.5.4考虑下部混凝土结构对钢屋盖内力和位移的影响

2.5.5考虑几何和材料非线性对屋盖内力的影响

2.6本章小结

第三章若干参数对屋盖结构受力的影响

3.1概述

3.2设计方案的修改

3.2.1拱和挑篷之间的M形杆

3.2.2拱斜面上增加米字型节点

3.2.3取消悬链钢管中的预应力

3.2.4其它修改

3.3若干参数对屋盖结构受力的影响

3.3.1拱的刚度对结构各部分内力及变形的影响

3.3.2支座条件对结构各部分内力及变形的影响

3.3.3拱矢跨比对结构各部分内力及变形的影响

3.3.4拱形式对结构各部分内力及变形的影响

3.3.5挑篷内环梁刚度对结构各部分内力及变形的影响

3.3.6挑篷内环梁矢跨比对结构各部分内力及变形的影响

3.4本章小结

第四章上柔下刚结构的地震作用反应谱修正分析

4.1大跨度钢屋盖结构地震作用分析概述

4.2上柔下刚两自由度体系的自振特性分析

4.3上柔下刚两自由度体系振型分解反应谱简化分析方法

4.3.1两质点两自由度体系的振幅分析

4.3.2两质点两自由度体系的振型分解反应谱分析

4.4对上柔下刚结构的地震作用修正方法的探讨

4.4.1单独分析下部刚性结构的地震作用

4.4.2单独建立上部钢屋盖模型的基础上修正反应谱

4.5南京奥体中心主体育场钢屋盖的修正反应谱分析

4.5.1判断上部和下部结构的自振周期是否满足简化分析的条件

4.5.2不同计算模型时下部混凝土在X方向地震作用下的内力分析

4.5.3不同计算模型时上部钢屋盖在X方向地震作用下的内力分析

4.5.4不同计算模型时上部钢屋盖在Z方向地震作用下的内力分析

4.5.5上部钢屋盖在不同方向地震作用下的内力分析

4.5.6南京奥体中心主体育场反应谱分析结论

4.6本章结论

第五章大跨度钢屋盖考虑行波效应的时程分析

5.1大跨度钢屋盖结构时程分析概述

5.2人工地震波的生成

5.2.1人工波的加速度时程

5.2.2人工波的位移时程

5.3多点激励的相对运动法和大质量法

5.3.1相对运动法

5.3.2大质量法

5.4屋盖结构在Y向水平地震作用下的时程分析

5.4.1多点一致激励时程分析

5.4.2大质量法分析拱的行波效应

5.4.3钢屋盖在行波效应下的弹塑性时程分析

5.5本章结论

第六章薄壁箱形梁的约束扭转

6.1概述

6.2闭口薄壁杆件的约束扭转

6.2.1闭口薄壁杆件的自由扭转

6.2.2闭口薄壁杆件的约束扭转

6.3薄壁杆件约束扭转的箱梁计算结果比较

6.3.1不同方法计算箱梁约束扭转的结果比较

6.3.2采用广义坐标法讨论横隔板的布置对扭转的影响

6.3.3采用乌曼斯基理论和广义坐标法计算不同截面箱梁的结果比较

6.4本章结论

第七章南京奥体中心钢屋盖结构的稳定分析

7.1复杂结构稳定分析概论

7.2特征值屈曲

7.3大变形问题的虚功方程和平衡方程

7.3.1大变形问题的虚功方程

7.3.2大变形问题的平衡方程

7.4 Newton-Raphson迭代法

7.5大跨度结构的缺陷分析方法

7.5.1随机缺陷模态法

7.5.2一致缺陷模态法

7.6南京奥体中心主体育场钢屋盖的特征值屈曲分析

7.6.1主要不利荷载组合的特征值屈曲分析

7.6.2内环梁矢跨比对特征值屈曲分析的影响

7.6.3内环梁截面特性对特征值屈曲分析的影响

7.6.4考虑下部混凝土结构对特征值屈曲分析的影响

7.7南京奥体中心主体育场钢屋盖的非线性稳定分析

7.7.1不同初始缺陷下钢屋盖荷载—位移非线性全过程分析

7.7.2薄壁箱梁翘曲对钢屋盖极限承载力的影响

7.7.3考虑下部混凝土结构对钢屋盖极限承载力的影响

7.7.4局部稳定和整体稳定的关系

7.8南京奥体中心主体育场钢屋盖稳定分析结论

第八章南京奥体中心主体育场钢屋盖试验研究

8.1整体模型概况

8.1.1试验目的

8.1.2模型的设计

8.1.3模型的相似关系

8.1.4模型材性试验结果

8.1.5模型加工制作

8.2整体模型静力试验

8.2.1加载装置

8.2.2加载程序

8.2.3量测内容及方法

8.2.4静力试验结果分析

8.2.5试验结果与有限元非线性结果比较

8.2.6静力试验结果的结论

8.3温度试验

8.3.1温度加载方法及试验过程

8.3.2试验结果分析结论

8.4实际结构挠度与有限元计算结果比较

8.5试验误差分析

第九章关于拱结构形式的评述

9.1概述

9.2不同形式拱的内力比较

9.2.1竖向拱和倾斜拱的内力和应力比较

9.2.2不同跨度下竖直拱和倾斜拱应力的比较

9.2.3不同倾斜角的倾斜拱应力比较

9.3本章结论

第十章全文总结及展望

10.1全文总结

10.2进一步的研究工作

附录

参考文献

作者在硕—博连读期间发表的论文

致谢