新型拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工一體化研究.pdf

1、索穹頂結(jié)構(gòu)是一種由脊索、斜索、環(huán)索和撐桿構(gòu)成的空間張力索桿體系，這種結(jié)構(gòu)以其新穎的結(jié)構(gòu)造型、巧妙的構(gòu)思、較輕的自重和快速的施工，一經(jīng)問世便引起了國際空間結(jié)構(gòu)學術(shù)界與工程界的高度重視。目前索穹頂結(jié)構(gòu)的屋面覆蓋系統(tǒng)主要采用張拉膜，對于剛性屋面索穹頂?shù)难芯可刑幱谄鸩诫A段。玻璃面板、彩鋼板等傳統(tǒng)剛性屋面材料，在國內(nèi)鋼屋蓋結(jié)構(gòu)中已有非常廣泛的應(yīng)用，但剛性屋面的跨越能力小，需要增設(shè)次結(jié)構(gòu)支承屋面，并將屋面荷載傳遞至索穹頂主體結(jié)構(gòu)，這對次結(jié)構(gòu)的跨越能

2、力提出了較高的要求。
　　弦支穹頂結(jié)構(gòu)是一種剛?cè)嵯酀碾s交結(jié)構(gòu)，其用上部網(wǎng)殼替換了常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)中的脊索網(wǎng)。弦支穹頂由于存在上部網(wǎng)殼而易于鋪設(shè)剛性屋面材料，但弦支穹頂存在受壓彎的網(wǎng)殼，用鋼量相對較大，且目前弦支穹頂普遍需要搭設(shè)大量支架來高空拼裝網(wǎng)殼，施工措施費高，高空焊接量大，工期長。
　　本文作者在閱讀了國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，分析并總結(jié)了常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)及弦支穹頂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點、施工方法以及工程應(yīng)用，提出了一種新型拉梁-索

3、穹頂結(jié)構(gòu)。拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)由拉梁、斜索、環(huán)索、撐桿和內(nèi)拉環(huán)構(gòu)成，即將常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)中僅受拉的柔性脊索替換為受拉彎的剛性拉梁。拉梁-索穹頂兼具索穹頂和弦支穹頂?shù)膬?yōu)點，通過預(yù)應(yīng)力張拉在拉梁、斜索和環(huán)索中均建立預(yù)張力，屬于張力結(jié)構(gòu);拉梁受拉彎，穩(wěn)定性好，用鋼量少，通過在拉梁上合理設(shè)置鉸接節(jié)點可采用先進的少支架甚至無支架的整體牽引提升的方法進行施工，便于鋪設(shè)剛性屋面材料。
　　本文對拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)的構(gòu)形進行研究，介紹其基本構(gòu)成。拉梁上的

4、鉸包括設(shè)置在拉梁端部的結(jié)構(gòu)
　　鉸和拉梁中部的機構(gòu)鉸，根據(jù)鉸的設(shè)置位置，可以將拉梁-索穹頂分為無鉸、單鉸、雙鉸和三鉸四種情況。對三鉸拉梁、兩鉸拉梁、單鉸拉梁、中鉸拉梁、無鉸拉梁和脊索構(gòu)件進行了對比分析，研究了集中荷載和均布荷載作用下六者的受力和變形情況。采用迭代法進行了拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)找力分析。
　　采用整體提升牽引的施工方法實現(xiàn)拉梁-索穹頂?shù)臒o支架提升牽引施工，需要在拉梁中部和端部設(shè)置若干鉸接節(jié)點使拉梁網(wǎng)格變?yōu)闄C構(gòu)，提出了

5、十四種拉梁鉸接節(jié)點設(shè)置方案。改進了“確定索桿系靜力平衡態(tài)的非線性動力有限元法（簡稱NDFEM）”，使其適用于由索桿梁組成的拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)，并對相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型進行了施工全過程分析，通過施工模擬分析得出了拉梁鉸接節(jié)點布置的可行模式和最優(yōu)模式。
　　本文采用非線性有限元計算方法，對拉梁-索穹頂?shù)撵o力性能進行分析，考察了在滿跨和半跨活荷載作用下，構(gòu)件內(nèi)力和節(jié)點位移隨荷載變化的規(guī)律，并對不固定拉梁中鉸和固定拉梁中鉸的拉梁-索穹頂進行了對比

6、分析。同時，為掌握拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)與弦支穹頂、常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)的受力性能差異，分別建立相同跨度和拓撲關(guān)系的上述三種結(jié)構(gòu)的模型，對三種模型的受力性能與變形情況進行對比，分析了剛性拉梁對結(jié)構(gòu)的整體剛度、局部剛度和承載力影響。此外，通過改變預(yù)應(yīng)力水平、溫度作用和拉梁截面形式等方面，對拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化分析。另外，對拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)與弦支穹頂、常規(guī)索穹頂結(jié)構(gòu)的動力自振特性進行了分析和對比。
　　對弦支穹頂、常規(guī)索穹頂和拉梁-索穹頂

7、進行了兩種荷載組合下的特征值屈曲分析，然后采用一致缺陷模態(tài)法，并引入結(jié)構(gòu)第一階屈曲模態(tài)為缺陷分布，考慮跨度的1/300為缺陷最大值進行了非線性屈曲分析，得到了結(jié)構(gòu)在指定荷載工況作用下的極限承載力。接著，研究了預(yù)應(yīng)力水平、桿件截面規(guī)格、初始缺陷大小和環(huán)向桿件等因素對拉梁-索穹頂穩(wěn)定性能的影響。
　　為驗證本文的理論分析結(jié)果，分別制作了一個直徑6m的Geiger型和一個直徑8m的Levy型拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)模型，介紹了這兩個試驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)

8、件構(gòu)造、節(jié)點設(shè)計以及試驗?zāi)Ｐ偷陌惭b過程，模擬了其施工成型的全過程，測試了施工過程中結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，驗證了“無支架整體牽引張拉施工方法”的可行性;分析了結(jié)構(gòu)在滿跨荷載和半跨荷載作用下的力學性能;通過實測值與理論值的對比分析，得出了一些有益結(jié)論。
　　本文最后對研究的內(nèi)容及成果作了系統(tǒng)總結(jié)，提出了進一步研究的的問題。本文的研究工作為拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供了有力的技術(shù)支持，對拉梁-索穹頂結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工均具有重要的理論研究意