內凹式索拱結構的理論分析和試驗研究.pdf

1、索拱結構由索與拱雜交而成，索與拱兩種部件抗拉與抗壓的力學性能及材料性能得到充分利用，不僅保持了拱結構的優(yōu)美曲線外形，而且改善了普通拱結構的受力和變形，大大提高了拱結構的整體穩(wěn)定性和承載力，有助于改善結構的動力特性，因而在大跨空間結構中不斷有新的索拱組合形式出現。廣州新客站-站房屋蓋采用了一種新穎的索拱組合形式——內凹式索拱結構，預應力拉索布置在拱內部，走向同上弦拱一起向上凸起，拱索之間用撐桿相連。本文便以廣州新客站為工程背景，對內凹式索

2、拱結構的穩(wěn)定與振動性能進行了較為系統(tǒng)的理論分析與試驗研究。另外對無撐桿內凹式索拱結構的穩(wěn)定與振動性能進行了理論研究。
　　 按布索方式，歸納了兩類無撐桿內凹式索拱的構型方法和數學公式，分別稱為無撐桿內凹式索拱（等長均布布索、兩端輻射式布索）。從忽略主拱軸向伸縮、剪切變形（或撐桿軸向伸縮）的假定出發(fā)，基于小變形理論，推導了內凹式索拱結構在徑向均布荷載作用下面內彈性撓曲的總勢能方程，并推導了無撐桿內凹式索拱結構在徑向均布荷載作用下面

3、內彈性撓曲及面外彈性彎扭屈曲的總勢能方程?；谀芰孔兎衷恚\用Ritz法對徑向均布荷載作用下內凹式索拱結構面內的彈性穩(wěn)定性及無撐桿內凹式索拱結構面內（面外）的彈性穩(wěn)定性進行了理論分析，編制了求解兩種結構的彈性屈曲臨界荷載及屈曲模態(tài)的計算程序。
　　 運用所編程序對內凹式索拱結構的面內彈性屈曲臨界荷載及無撐桿內凹式索拱結構的面內（面外）彈性屈曲臨界荷載進行了參數研究，并與有限元結果進行了對比。分析結果表明：本文方法及程序具有較高

4、的精度和效率。拱的軸向伸縮和剪切變形對結構的彈性屈曲臨界荷載的影響很小，可以忽略不計。內凹式索拱與無撐桿內凹式索拱（等長均布布索）的面內彈性屈曲形式均為反對稱屈曲，對于無撐桿內凹式索拱（兩端輻射式布索）的面內彈性屈曲形式，多數情況為反對稱，其余則為正對稱。內凹式索拱及無撐桿內凹式索拱的布索形式對拱結構整體穩(wěn)定性的提高效果顯著。內凹式索拱的面內屈曲臨界荷載與無撐桿內凹式索拱的面內及面外屈曲臨界荷載均隨初始張拉力和索截面積的增加而增加，隨拱

5、長細比的增加而減小，但初始張拉力對兩種結構面內屈曲臨界荷載的影響很小，索夾間距比對內凹式索拱的屈曲臨界荷載影響很小。無撐桿內凹式索拱的面內及面外的屈曲臨界荷載均隨拱矢跨比的增加而先增加后減小。
　　 從忽略主拱軸向伸縮、剪切變形（或撐桿軸向伸縮）及轉動慣量的假定出發(fā)，基于小變形理論，建立了內凹式索拱結構面內固有振動的總機械能方程，并推導了無撐桿內凹式索拱結構的面內及面外固有振動的總機械能方程?；诠軤栴D原理和變分原理，利用Ri

6、tz法對內凹式索拱結構的面內固有振動及無撐桿內凹式索拱結構的面內（面外）固有振動進行了理論分析，編制了求解兩種結構的固有振動頻率及固有振型的計算程序。
　　 運用所編程序對內凹式索拱結構的面內固有基頻及無撐桿內凹式索拱結構的面內（面外）固有基頻進行了參數研究，并與有限元結果進行了對比。分析結果表明：本文方法及程序具有較高的精度和效率。拱的軸向伸縮、剪切變形及轉動慣量對結構固有基頻的影響很小，可以忽略不計。內凹式索拱與無撐桿內凹式

7、索拱（等長均布式布索）面內固有振動的第一振型形式為反對稱振型，無撐桿內凹式索拱（兩端輻射式布索）的面內第一振型形式隨拱長細比、拱矢跨比及布索參數的變化而變化，但不受初始張拉力和索截面積的影響。兩類無撐桿內凹式索拱面外固有振動的第一振型形式均為對稱振型。內凹式索拱及無撐桿內凹式索拱的布索形式對提高拱結構面內固有基頻效果顯著。內凹式索拱的面內振動基頻與無撐桿內凹式索拱的面內及面外振動基頻均隨初始張拉力和索截面積的增加而增加，但初始張拉力對兩

8、種結構的固有基頻的影響較小。內凹式索拱面內固有基頻隨索夾間距比的增加，其變化幅度很小，隨拱長細比的增加而減小。無撐桿內凹式索拱的面內固有基頻隨拱矢跨比的增加而先增加后減小，面外固有基頻隨拱矢跨比的增加而減小。
　　 采用考慮雙重非線性的有限元方法對內凹式索拱結構的極限承載力進行了參數研究。分析結果表明：支座形式、矢跨比、撐桿數量、拱截面等因素對結構承載力影響較大；索截面、初始張拉力和初始缺陷等對結構承載力影響較?。黄浜侠淼娜≈捣?/p>

9、圍為：拱矢跨比取0.125～0.2，索矢跨比取0.05～0.1，索截面積取拱截面積的4％～6%，與拱結構相比，內凹式索拱結構的整體穩(wěn)定性、極限承載力、整體剛度都有大幅度提高，對缺陷的敏感度減低；半跨荷載是結構設計的控制荷載，給出了快速確定初始張拉力的簡化計算公式。
　　 對廣州新客站-站房屋蓋采用的內凹式索拱結構的1/3縮尺模型，分張拉成形、4種荷載工況的加載及2種典型荷載工況的極限加載3個階段進行了靜力試驗研究。試驗研究表明，