全局布索门式刚架的预应力作用机理及自振频率研究

摘要

现代预应力钢结构越来越依赖预应力载体的作用，尤其是在弱刚性结构和柔性结构中，预应力载体的地位可以说是举足轻重，基于此背景，本文在概括和总结先前学者已有研究成果的基础上提出预应力系统的新概念，并详细解释了预应力系统的定义，且对预应力系统的作用机理做出具体阐释。
　　以本文研究对象——全局布索门式刚架为例，进行数值模拟结合试验数据分析以验证预应力系统作用机理的正确性，并以此为基础，通过内力控制得到拉索预应力确定准则，通过变形控制得到拉索截面积的确定准则，从而以确定准则为指导思想获得预应力参数的确定方法，进一步通过上述方法求出刚架中预应力系统参数的具体值并加以验算。最后本文基于预应力系统的作用机理，考察全局布索门式刚架中预应力参数变化对结构自振频率的影响，获得理想结果。本文主要研究工作和相应结论如下：
　　（1）预应力系统概念的提出及其作用机理介绍
　　提出预应力系统的概念，所谓的预应力系统不仅包括了预应力本身还包括预应力载体（如钢索、钢棒、膜材等）。预应力系统中预应力和预应力载体各司其职，缺一不可：预应力不仅能够为结构提供反力反位移，还能为预应力载体建立刚度和稳定性；预应力载体则在预应力的作用下为结构提供额外刚度，调整结构受力性能；预应力载体为原结构提供的刚度大小与预应力大小无关，而是由预应力载体轴向刚度决定的；但是预应力决定了预应力载体能否发挥作用，且预应力大小决定了结构在外荷载作用下预应力载体提供刚度所能维持的阶段范围。
　　（2）全局布索门式刚架中预应力系统作用机理的验证
　　以预应力系统为立足点，在SAP2000软件中对全局布索门式刚架进行数值模拟计算确定了预应力能够为结构提供与荷载效应相反效应的作用机理。通过分析刚架受载前后控制截面弯矩变化值、增长率及主要节点的位移变化得出：有无预应力决定了拉索能否为结构提供刚度，而拉索截面积会影响其为结构提供刚度的大小，预应力大小只是决定了结构在外载作用下拉索提供刚度所能维持的阶段范围。试验数据分析部分也验证了结论的正确性。
　　（3）全局布索门式刚架的等效计算方法
　　在直线型布索、单折线型布索、双折线型布索形式的拉索与刚性、半刚性结构组合中，拉索在张拉成形、建立了初始预应力后承受各种荷载的作用，而且由于结构中索段不长，各拉索都具有一定的初始预应力，其非线性的影响很小，因而在计算此类结构内力和变形时，可以将索杆视为可以受拉、受压的二力杆进行分析。全局布索门式刚架属于此种结构，对其进行内力分析时，可以将此刚架将其视作钢桁架，在计算外载作用下杆件内力增量后，线性叠加上初始预应力值，即能得到结构在外荷载作用下的内力值，这也更加利于确定参数时参数的迭代收敛，也为后续全局布索门式刚架的预应力参数确定方法奠定理论基础。
　　（4）全局布索门式刚架的预应力系统参数预估方法
　　在前文研究的基础上，以预应力系统的作用机理为基础，利用结构力学分析方法结合软件模拟施加不同预应力参数值进行比较，得到预应力参数的确定准则：准则一，刚架中预应力的初始效应与恒载引起的不利效应大致平衡；准则二，刚架在各工况下，预应力系统中各部分拉索均不失效，以保证其能为结构提供刚度；准则三，在满足预应力系统中预应力初始效应与恒载效应大致相抵消的前提下，预应力载体为结构提供额外刚度使结构在各工况下满足目标刚度要求。
　　结合全局布索门式刚架中预应力系统的作用机理，根据参数确定准则，利用SAP2000有限元分析软件进行刚架的等效线性运算，求出关键影响系数及工况下内力的叠加值等必要参数，最终通过位移控制确定拉索截面积，利用迭代法求出拉索目标截面积；通过内力控制使初始预应力效应与恒载效应大致相抵消，得到有关拉索预拉力的一个恒等式，通过保证拉索在结构使用过程中始终不失效，得到另一个恒等式，从而求解满足上述条件的等式方程组，即可得到拉索所需预拉力。
　　（5）预应力系统中参数变化对结构自振频率的影响
　　本文研究了预应力改变和拉索截面积改变对结构自振频率的影响：与普通门式刚架相比，全局布索门式刚架的自振频率大幅度变大，但是全局布索门式刚架中预应力的增大会导致结构自振频率有小幅度的减小；而改变全局布索门式刚架中拉索截面积的结果是拉索截面积越大，结构的自振频率越大，文中结合预应力系统作用机理对结果作出了合理的解释。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 本课题研究背景及意义

1.2 预应力在门式刚架中的应用研究概况

1.3 预应力钢结构中预应力作用机理的研究概况

1.4 预应力钢结构拉索索力确定方法的研究概况

1.5 预应力钢结构的结构自振频率的研究状况

1.6 本文主要工作

第2章 全局布索门式刚架中预应力系统的作用机理研究

2.1 预应力系统的概念

2.2预应力系统的作用机理

2.3全局布索门式刚架的值模拟分析

2.4全局布索预应力钢框架的试验数据分析

2.5全局布索门式刚架的等效计算方法

2.6本章小结

第3章 全局布索门式刚架中预应力系统参数确定准则

3.1预应力拉索参数确定准则的基本思路

3.2拉索预应力确定准则

3.3预应力拉索的截面积确定准则

3.4本章小结

第4章 全局布索门式刚架中预应力系统参数确定方法

4.1拉索截面积预估方法

4.2拉索预应力预估方法

4.3全局布索门式刚架拉索预参数确定

4.4全局布索门式刚架预应力参数确定后的结构性能验证

4.5本章小结

第5章 全局布索门式刚架的自振频率研究

5.1预应力大小对结构自振频率的影响

5.2拉索截面积对结构自振频率的影响

5.3本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利

学术论文

专利

致谢