预应力空间钢结构索张拉控制算法及试验研究

摘要

预应力空间钢结构是一种将预应力与空间钢结构相结合的新型结构，就是在空间钢结构中增加高强度索，并且对索施加预应力，充分的发挥钢材弹性范围内强度，提高结构承载能力，减小其变形，达到节约钢材、降低造价的目的。预应力空间钢结构的几何形态和力学性能与施工过程密切相关，必须依靠更科学合理的施工技术。 本文首先在大量查阅国内外文献基础上，描述了预应力空间钢结构发展的历史与应用，并讨论了预应力空间钢结构的工作原理及特点；介绍了预应力的引入方法、类型，并对现阶段预应力的算法进行了讨论：最后说明了选题的目的及意义所在。 预应力空间钢结构的施工过程是一个大位移的过程，具有很强的几何非线性。文中采用非线性增量UL法推导了索刚度矩阵的显式表达式，将其分成与索张拉力有关、与索原长有关的两种形式，为后面几章索张拉力控制计算打下基础。 本文提出控制索原长的反分析法。从预应力状态开始，通过控制索原长来追踪索在施工中的张拉力。首先通过控制索在预应力态下的张拉力求得零状态和索原长，并同时获得预应力态下所有单元的内力。在此基础上，通过控制每一级张拉索的原长可方便的求出索在分批施工时的控制力。方法的优点在于计算简单，概念清楚，省去了通用有限元需要反复试算的缺点。 本文提出了当预应力空间钢结构索张拉力偏离设计值时，调整计算的新思路。将索张拉力的偏离理解为索原长的偏离，以索原长作为计算的中间量，通过控制索的原长来推算索需要施加的张拉力。最后对张弦网壳结构索张拉力调整过程进行了模拟计算。 本文将施工力学与控制索原长法相结合，提出了预应力空间钢结构累积滑移施工的计算方法，并总结了索张拉力的变化规律。计算以结构整体为研究对象，通过控制索的张拉力来求出索原长。在累积滑移过程中，对与施工阶段相符合的结构、荷载、约束条件等进行计算，采用控制索原长的方法计算出各阶段的内力。整个施工过程索只需张拉一次即可，简化了施工过程。 本文研究了预应力空间钢结构索张拉顺序。索张拉属于离散变量的优化问题，且目标函数无法形成显式，本文将遗传算法引入到优化计算中，解决了这一难题。计算以各索施加张拉力总值最小，即对索张拉用力最省作为目标，寻求在结构布局、几何尺寸和约束条件确定的情况下，满足施工工艺要求，索最合理的张拉顺序。 为了进一步验证本文前几章有关预应力空间钢结构索张拉计算方法的正确性，本文进行了一系列的试验研究，包括：用提出的基于索原长反分析法对-2.2m×4.6m的小型张弦网壳进行索张拉成形的试验研究；对北京北站进行了模型施工过程分析、模型索张拉力的调整、换索试验研究。 结合河南新乡电厂干煤棚张弦网壳结构的施工实践，本文详细的介绍了高空累积滑移施工与预应力索张拉相结合这一复杂的施工方案和关键技术工艺，并用提出的计算方法进行了施工全过程的计算。 论文最后对上述研究内容及成果作了进一步的总结，提出了以后待解决的关键问题。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1预应力空间钢结构的发展与应用

1.2预应力空间钢结构的工作原理及特点

1.3预应力空间钢结构中预应力的引入

1.3.1引入预应力的方法

1.3.2引入预应力的类型

1.3.3预应力算法的研究

1.4选题的目的及意义

1.5本文研究的主要内容

参考文献

第二章预应力空间钢结构非线性有限元分析理论

2.1引言

2.2非线性增量有限单元法

2.3单元的有限元力学模型分析

2.3.1梁单元的非线性有限元分析

2.3.2直线索单元的非线性有限元分析

2.4非线性方程组的解法

2.5程序类的设计及其层次关系

2.6本章小结

参考文献

第三章基于控制索原长求解索张拉力的方法

3.1预应力空间钢结构施工成型索张拉力的计算

3.1.1施工状态的划分

3.1.2施工成型索张拉力的计算

3.1.3算例分析

3.2预应力空间钢结构施工后索张拉力的调整计算

3.2.1调整的基本思路

3.2.2索张拉力调整的计算步骤

3.2.3算例分析

3.3本章小结

参考文献

第四章累积滑移法施工索张拉力控制算法研究

4.1引言

4.2累积滑移法施工概述

4.3累积滑移施工索张拉力控制算法

4.3.1累积滑移施工力学

4.3.2索张拉力控制算法

4.3.3累积滑移施工的计算步骤

4.4累积滑移程序模块设计

4.5算例分析

4.6本章小结

参考文献

第五章基于遗传算法的预应力空间钢结构索张拉优化

5.1遗传算法简介

5.1.1遗传算法的起源与发展

5.1.2遗传算法的特点

5.1.3遗传算法在结构工程中的应用

5.2遗传算法的基本流程

5.3遗传算法实现的技术问题

5.3.1设计变量的编码与解码

5.3.2初始群体的确定

5.3.3适应度函数与约束处理

5.3.4遗传操作

5.3.5终止条件

5.3.6控制参数

5.4遗传算法的改进

5.4.1自适应遗传算子

5.4.2优秀个体保护策略

5.5遗传算法在索张拉优化中的应用

5.5.1问题的提出

5.5.2索张拉优化数学模型

5.5.3优化变量及适应度函数的选取

5.5.4算例分析

5.6本章小结

参考文献

第六章预应力空间钢结构施工试验研究

6.1张弦网壳索张拉力的控制及试验研究

6.1.1模型设计

6.1.2试验测试内容及应变片的布置

6.1.3施工张拉控制

6.1.4试验与数值模拟计算对比分析

6.2北京北站张弦桁架施工试验研究

6.2.1工程简介

6.2.2模型设计

6.2.3试验前期准备

6.2.4试验测试内容

6.3新乡电厂预应力张弦网壳滑移施工索张拉力控制

6.3.1工程概况

6.3.2施工方案与工艺

6.3.3索张拉控制力计算

参考文献

第七章结论与展望

7.1本文主要结论

7.2今后的研究工作

致谢