多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的一個(gè)新體系，可以創(chuàng)造新穎的鋼結(jié)構(gòu)形式和獨(dú)特的建筑風(fēng)格。將預(yù)應(yīng)力引入鋼結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力，減少用鋼量，同時(shí)還可以改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力狀態(tài)，降低應(yīng)力峰值，增大結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力特性。多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)通過預(yù)應(yīng)力→加載→預(yù)應(yīng)力→……分多級(jí)施加預(yù)應(yīng)力，不僅可以反復(fù)利用材料彈性界限內(nèi)的抗壓與抗拉強(qiáng)度，進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)承載能力，節(jié)約材料，產(chǎn)生更大的預(yù)應(yīng)力效益，而且能夠利用多次預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)更大跨度的空間結(jié)

2、構(gòu)形式。 本文通過理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等研究手段，對多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、優(yōu)化、靜動(dòng)力特性及抗震性能進(jìn)行了研究，論文的主要研究工作和相應(yīng)研究成果如下： 1.基于非線性有限元原理對預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性能分析。以預(yù)應(yīng)力拱桁架為對象進(jìn)行了特征值屈曲分析、采用弧長法和牛頓-拉斐遜法進(jìn)行了荷載-位移全過程屈曲分析，采用一致缺陷模態(tài)法進(jìn)行了考慮初始缺陷下的結(jié)構(gòu)非線性屈曲分析。得出了預(yù)應(yīng)力拱桁架結(jié)構(gòu)的平面外失穩(wěn)特點(diǎn)，

3、得到了預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的影響規(guī)律，并指出了Ansys進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)屈曲分析的一些缺陷，對今后此類工程的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。 2.提出了預(yù)應(yīng)力和截面優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及求解方法。在綜合對比預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)分析中引入預(yù)應(yīng)力的各種方法的基礎(chǔ)上，首次提出了以拉索初始應(yīng)力為設(shè)計(jì)變量、以結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力平方和最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力優(yōu)化的方法，并在此基礎(chǔ)上建立了結(jié)構(gòu)重量最輕為目標(biāo)函數(shù)、預(yù)應(yīng)力和截面兩級(jí)優(yōu)化的預(yù)應(yīng)力空間鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，該模型考慮

4、了結(jié)構(gòu)應(yīng)力約束、位移約束條件、長細(xì)比約束和變量上下限約束，并且同時(shí)考慮了桿單元和梁單元兩類單元的穩(wěn)定約束。編制了相應(yīng)程序，算例表明所提出方法不僅可以滿足工程優(yōu)化設(shè)計(jì)需要而且可以較快地收斂得到滿意的優(yōu)化結(jié)果。 3.針對多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工特點(diǎn)發(fā)明了一種在支座張拉端具有十字交錯(cuò)開槽環(huán)狀?yuàn)A片的多次張拉錨具的可滑移彈性減震支座。該支座利用鉛芯橡膠墊作為彈性減震體。對該支座進(jìn)行了力學(xué)性能研究及鉛芯橡膠墊性能試驗(yàn)，建立了支座的力學(xué)模型，得到

5、了鉛芯橡膠墊的分析模型及各種相關(guān)性能。該支座在施工過程中可相對于支撐柱產(chǎn)生一定的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，大大減小施工過程中支撐柱頂?shù)乃椒戳Γ谑┕ね瓿珊罂墒怪ёc支撐柱具有可靠的連接，傳遞軸向力與一定的剪力，并能在水平方向產(chǎn)生一定彈性變位和轉(zhuǎn)動(dòng)，適用于預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼、預(yù)應(yīng)力桁架、預(yù)應(yīng)力網(wǎng)架和預(yù)應(yīng)力拱結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)形式。 4.進(jìn)行了多次預(yù)應(yīng)力拱桁架模型靜力分析和靜力試驗(yàn)研究?？偨Y(jié)了索力測量的各種方法，通過多次張拉預(yù)應(yīng)力索分級(jí)加載，驗(yàn)證了作者研制

6、的可滑移彈性支座在張拉過程中的性能，測試了多次張拉過程中拱桁架構(gòu)件的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)的位移變形，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比。理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，結(jié)果表明多次施加預(yù)應(yīng)力可以有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力峰值，增大結(jié)構(gòu)承載能力。 5.分別提出了通過結(jié)構(gòu)最終索力求索初始應(yīng)變和通過結(jié)構(gòu)位移反算索內(nèi)力的實(shí)用方法，將所提出的方法用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臄?shù)值分析，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。該方法實(shí)用準(zhǔn)確，便于工程人員掌握，可用于施工驗(yàn)算和靜力計(jì)算。

7、6.研究了多次預(yù)應(yīng)力拱桁架結(jié)構(gòu)的自振特性。通過模態(tài)分析得出了多次預(yù)應(yīng)力拱桁架結(jié)構(gòu)自振特性的特點(diǎn)。進(jìn)行了多次預(yù)應(yīng)力拱桁架結(jié)構(gòu)的激振試驗(yàn)，試驗(yàn)分析了荷載大小、拉索預(yù)應(yīng)力值及支座約束形式對結(jié)構(gòu)自振頻率、阻尼比、振型等自振特性的影響?？蔀榻窈蟠祟惤Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析提供一定的指導(dǎo)。 7.進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力拱桁架結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。采用時(shí)程分析法對預(yù)應(yīng)力拱桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的結(jié)構(gòu)分析，通過預(yù)應(yīng)力拱桁架模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了不同支座條件、