弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工控制理論與溫度效應(yīng)研究.pdf

1、弦支穹頂是一種高效的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)，已推廣用于體育館、會(huì)展中心等近20項(xiàng)大跨度建筑工程中。隨著工程應(yīng)用的推廣和研究的深入，在施工控制技術(shù)與分析設(shè)計(jì)理論方面遇到了一些亟待解決的關(guān)鍵課題，包括弦支穹頂結(jié)構(gòu)臨時(shí)支承結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計(jì)理論、考慮溫度變化和滑移摩擦影響的弦支穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力施工過(guò)程數(shù)值模擬與控制理論、太陽(yáng)輻射作用下弦支穹頂結(jié)構(gòu)溫度荷載的數(shù)值模擬理論及其溫度效應(yīng)研究等，這些課題解決的好壞，直接影響到弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)效能、工程造價(jià)及施工階段和

2、使用階段的安全等問(wèn)題。本文圍繞上述問(wèn)題，采用數(shù)值分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，開(kāi)展了系統(tǒng)深入的分析研究，取得了一些具有科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值的研究成果。
　　 弦支穹頂施工時(shí)通常會(huì)采用扣件式鋼管滿堂支承架作為結(jié)構(gòu)和施工荷載的臨時(shí)支承，而目前扣件式鋼管滿堂支承架半剛性分析計(jì)算理論尚不完善，由此帶來(lái)了很多問(wèn)題，甚至工程事故。結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2001)修訂工作，通過(guò)足尺試驗(yàn)和理論分析對(duì)扣件式鋼

3、管滿堂支承架的結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)、分析方法及其設(shè)計(jì)理論進(jìn)行了深入的研究，提出了一套完整的扣件式鋼管滿堂支承架的數(shù)值模擬理論和簡(jiǎn)化計(jì)算方法，揭示了各個(gè)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的影響規(guī)律，相關(guān)研究成果已編入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ130-2011)。
　　 在弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉施工過(guò)程中，環(huán)索與撐桿下節(jié)點(diǎn)之間的滑移摩擦引起顯著的預(yù)應(yīng)力張拉偏差，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)了一定的安全隱患。為系統(tǒng)深入的研究滑移摩擦導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力偏差及其對(duì)

4、結(jié)構(gòu)性能的影響，本文基于拉索的熱脹冷縮原理及其泛函廣義逆的概念，考慮滑移摩擦建立了環(huán)索繞撐桿下節(jié)點(diǎn)滑移的數(shù)值模擬理論，通過(guò)ANSYS的APDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)；同時(shí)基于有限元基礎(chǔ)理論，推導(dǎo)了基于有限元列式的三節(jié)點(diǎn)滑移索單元和閉合多滑輪滑移索單元的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣，通過(guò)商用有限元軟件ABAQUS的用戶自定義單元功能，將單元算法用于計(jì)算機(jī)手段進(jìn)行實(shí)現(xiàn)索滑移的數(shù)值模擬。通過(guò)算例和試驗(yàn)驗(yàn)證上述三種索滑移數(shù)值模擬理論的合理性。利用上述理論，分別研究

5、了滑移摩擦導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力偏差的分布規(guī)律、偏差對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)性能的影響、環(huán)索滑移與不滑移時(shí)結(jié)構(gòu)性能的對(duì)比分析等內(nèi)容，得出了一些可供工程參考的結(jié)論。
　　 在弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工期間，環(huán)境溫度與結(jié)構(gòu)溫度是不斷變化的，并且變化的幅度較大，給結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力張拉的精確施工帶來(lái)技術(shù)難題。本文首先通過(guò)算例分析得出由預(yù)應(yīng)力張拉期間環(huán)境溫度變化引起顯著的預(yù)應(yīng)力張拉誤差，誤差可達(dá)212％，因此必須考慮環(huán)境溫度的變化對(duì)預(yù)應(yīng)力施工的影響。為考慮施工期間環(huán)

6、境溫度的變化對(duì)預(yù)應(yīng)力施工的影響，本文提出了循環(huán)補(bǔ)償法和簡(jiǎn)化線性方法來(lái)考慮施工過(guò)程中環(huán)境溫度變化對(duì)預(yù)應(yīng)力張拉施工的影響，通過(guò)算例對(duì)方法的合理性和精度進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工階段和使用階段，其結(jié)構(gòu)本身的溫度場(chǎng)是一個(gè)不斷變化的過(guò)程。溫度作用作為一種特殊的荷載，與重力荷載、風(fēng)荷載、地震作用等常規(guī)荷載有著本質(zhì)的不同，后者可通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)有效抵抗，但是前者卻不然，剛度越大，溫度作用引起的內(nèi)力就越大，因此對(duì)于溫度作用引起

7、的內(nèi)力不能僅靠增加結(jié)構(gòu)的剛度來(lái)抵抗。本文采用有限元理論研究了溫度作用對(duì)弦支穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力大小、節(jié)點(diǎn)位移、桿件內(nèi)力和支座反力的影響，揭示了拉索材料和支座約束剛度對(duì)溫度作用下弦支穹頂結(jié)構(gòu)性能的影響規(guī)律。
　　 在弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工階段和使用階段，其結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)不僅受到環(huán)境空氣溫度的影響，而且還受到太陽(yáng)輻射的影響，太陽(yáng)輻射作用下，結(jié)構(gòu)表面的溫度可超出環(huán)境空氣溫度20℃之上，若設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中不能合理的考慮結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，將會(huì)引起安全隱患。本

8、文基于有限元理論，建立太陽(yáng)輻射作用下鋼結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬方法，并提出了一種高效的太陽(yáng)陰影計(jì)算方法。采用本文建立的數(shù)值模擬和陰影計(jì)算方法采用ASHRAE晴空輻射模型，建立了太陽(yáng)輻射作用下鋼結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析模型，研究了鋼板太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)、地面輻射反射系數(shù)、構(gòu)件規(guī)格和空間方位對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的影響，完成了鋼板、鋼管、箱型鋼管和H型鋼四組太陽(yáng)輻射下鋼構(gòu)件的溫度場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析模型和簡(jiǎn)化計(jì)算方法的有效性和合理性。利用本文提出的太陽(yáng)輻射下鋼結(jié)構(gòu)