大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)與試驗(yàn)研究.pdf

1、弦支穹頂結(jié)構(gòu)是由上部鋼網(wǎng)殼與下部索桿體系組合而成的一種新型預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)體系，其兼有網(wǎng)殼和張弦結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)且克服了部分缺點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代初一經(jīng)提出，就在實(shí)際工程中得以應(yīng)用。本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，以作者參與實(shí)際結(jié)構(gòu)建造的常州體育會(huì)展中心體育館和濟(jì)南奧體中心體育館這兩座典型的大跨度弦支穹頂鋼屋蓋結(jié)構(gòu)為工程背景，并結(jié)合高矢跨比橢球形弦支穹頂?shù)哪Ｐ驮囼?yàn)和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，以大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)為主要研究對(duì)象，著重對(duì)大跨度弦

2、支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工零狀態(tài)的確定、拉索等效預(yù)張力的確定、施工全過程分析、拉索制作和誤差調(diào)整、張拉工藝、施工控制項(xiàng)目的確定等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。
　　 在大量閱讀國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、發(fā)展及理論與試驗(yàn)研究等進(jìn)行了描述，并扼要地介紹了弦支穹項(xiàng)的工程應(yīng)用現(xiàn)況。在總結(jié)已有文獻(xiàn)關(guān)于弦支穹頂施工技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，確定了本文的主要研究?jī)?nèi)容。
　　 根據(jù)弦支穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其有限元分析單元的組成、非線性增量平

3、衡方程及有限元基本方程的建立以及非線性方程組的求解方法等進(jìn)行了介紹，為弦支穹頂?shù)撵o力性能和施工力學(xué)分析研究提供了理論依據(jù)。
　　 對(duì)大跨度橢球形和圓球形弦支穹頂結(jié)構(gòu)的靜力性能、穩(wěn)定性能和自振頻率分別進(jìn)行了分析，并與去除了下部索桿體系的上部鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)論指出，對(duì)高矢跨比的弦支穹頂結(jié)構(gòu)而言，由于上部鋼網(wǎng)殼自身剛度較大，預(yù)應(yīng)方索桿體系對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)較??；大跨度弦支穹頂在設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮溫度荷載的作用并選擇合理的

4、合攏溫度；預(yù)應(yīng)力拉索的施工對(duì)弦支穹頂下部支承體系的受力影響較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工階段均應(yīng)對(duì)下部支承體系進(jìn)行計(jì)算復(fù)核；預(yù)應(yīng)力索桿體系的引入提高了上部單層網(wǎng)殼的極限承載能力，但弦支穹頂結(jié)構(gòu)仍對(duì)初始缺陷較為敏感，建議采用一致缺陷模態(tài)法作為本文兩類弦支穹頂結(jié)構(gòu)的安裝初始缺陷引入模式。最后指出，大跨度弦支穹頂?shù)念A(yù)應(yīng)力施工必須建立在對(duì)結(jié)構(gòu)性能充分把握的基礎(chǔ)之上。
　　 根據(jù)弦支穹頂設(shè)計(jì)初始態(tài)的結(jié)構(gòu)位形要求，分別推導(dǎo)了弦支穹頂整體結(jié)構(gòu)和索桿子結(jié)

5、構(gòu)施工零狀態(tài)找形分析的迭代公式，編制了相應(yīng)找形分析的流程圖，并結(jié)合大型有限元軟件ANSYS平臺(tái)中的APDL語言編制了找形分析的程序。提出針對(duì)整體剛度較小的全結(jié)構(gòu)施工零狀態(tài)找形分析方法，即通過逆迭代法反向修正結(jié)構(gòu)施工零狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，從而使施工初始態(tài)的結(jié)構(gòu)形狀滿足設(shè)計(jì)要求；針對(duì)上部網(wǎng)殼剛度較大的弦支穹頂結(jié)構(gòu)，提出了索桿系子結(jié)構(gòu)施工零狀態(tài)找形的概念和方法；分別以常州體育會(huì)展中心體育館和濟(jì)南奧體中心體育館為算例，驗(yàn)證了本文所提出的整體結(jié)構(gòu)和索

6、桿子結(jié)構(gòu)施工零狀態(tài)找形分析方法的正確性、適用性。
　　 對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力施工過程分析的關(guān)鍵參數(shù)——拉索等效預(yù)張力的確定方法進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)和研究。對(duì)已有的增量比值法和定量比值法進(jìn)行了分析和推導(dǎo)，給出了兩種方法理論公式的推導(dǎo)過程和基本假定；基于不同的假定，提出了補(bǔ)償法和退化補(bǔ)償法，并衍生出混合退化補(bǔ)償?shù)脑隽勘戎捣?簡(jiǎn)稱混合法)。通過理論公式推導(dǎo)，確定了各方法的迭代公式，編制了各迭代分析方法的計(jì)算流程圖，并結(jié)合大型有限元軟件AN

7、SYS平臺(tái)中的APDL語言編制了各迭代分析方法的計(jì)算程序。根據(jù)各自的假定、迭代公式和迭代過程，對(duì)比了各方法的特點(diǎn)和所適用的范圍，通過濟(jì)南奧體中心體育館的工程應(yīng)用，對(duì)比了用于拉索等效預(yù)張力確定的各種迭代方法的收斂速度，并對(duì)本文所提出的方法予以驗(yàn)證。
　　 由于拉索制作長(zhǎng)度既不能完全等同于安裝時(shí)的長(zhǎng)度，也不能等同于張拉至結(jié)構(gòu)成形后的長(zhǎng)度。因此，本文提出了分別基于索力和等效預(yù)張力的有應(yīng)力制作索長(zhǎng)的計(jì)算方法，以及與兩者相對(duì)應(yīng)的無應(yīng)力制作

8、索長(zhǎng)的計(jì)算方法。結(jié)論指出，與基于索力和等效預(yù)張力的有應(yīng)力制作索長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的無應(yīng)力制作索長(zhǎng)是一致的?？紤]到弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工前期準(zhǔn)備階段多工作的協(xié)調(diào)，向拉索生產(chǎn)單位提供基于等效預(yù)張力的制作索長(zhǎng)更加方便。
　　 對(duì)大跨度弦支穹頂施工全過程分析的目的和方法進(jìn)行了總結(jié)，并在已有方法的基礎(chǔ)之上提出了基于等效預(yù)張力的正算法。由于弦支穹頂上部鋼網(wǎng)殼為超靜定結(jié)構(gòu)，指出施工環(huán)境溫度對(duì)初始態(tài)的影響以及設(shè)計(jì)與施工初始態(tài)相互轉(zhuǎn)變的非保守性，并提出了考慮施

9、工環(huán)境溫度影響的設(shè)計(jì)與施工初始態(tài)相互轉(zhuǎn)變的迭代正算法。通過算例分析，驗(yàn)證了該方法的正確性和適用性。
　　 對(duì)大跨度弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工工藝進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，包括拉索制作、拉索安裝和張拉工藝等。結(jié)合徑向索張拉方法，提出了基于結(jié)構(gòu)幾何拓?fù)潢P(guān)系的索長(zhǎng)誤差調(diào)整方法，并應(yīng)用于實(shí)際結(jié)構(gòu)。結(jié)合弦支穹頂結(jié)構(gòu)的索桿系構(gòu)成，對(duì)被動(dòng)張拉技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。以常州體育館和濟(jì)南體育館的實(shí)際建造過程為例，介紹了施工方案選擇、張拉順序和控制程序、索夾構(gòu)造和

10、張拉機(jī)具等。
　　 提出了誤差影響因子的概念及其計(jì)算方法用于確定弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工的主控項(xiàng)目，并通過工程應(yīng)用，驗(yàn)證了其合理性。對(duì)弦支穹頂施工控制目標(biāo)值的確定進(jìn)行了研究，采用參數(shù)分析方法對(duì)索力控制目標(biāo)值的確定進(jìn)行了研究；采用參數(shù)分析方法、幾何拓?fù)潢P(guān)系分析方法以及基于施工允許偏差兼容性的概率分析方法，對(duì)撐桿垂直度控制目標(biāo)值的確定進(jìn)行了研究。對(duì)目前弦支穹頂預(yù)應(yīng)力施工的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法進(jìn)行了歸納，并以濟(jì)南體育館為例，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。<