帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系研究

1、帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系研究天津大學(xué)鋼結(jié)構(gòu)研究所Researches on a suspen-dome structure with sliding cable-strut joint installed導(dǎo) 師 ：陳志華(教授) 博士生：嚴(yán)仁章2014年7月20日匯報(bào)提綱一、研究背景二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索力測(cè)試方法研究三、帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)弦支穹頂及單層網(wǎng)殼試驗(yàn)研究四、滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于橢球形弦支穹頂?shù)男螒B(tài)分析五、預(yù)應(yīng)力隨機(jī)誤差對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的影響分析結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)效能高、施工方便推廣應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、施工方法施工方法尋求高效施工方法：張拉環(huán)索工程問題摩擦損失，影響結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性解決

2、措施滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)用于弦支穹頂新結(jié)構(gòu)性能研究基于張拉整體思想提出的弦支穹頂結(jié)構(gòu)由上部單層網(wǎng)殼和下部索撐體系組成。相比單層網(wǎng)殼可減小支座反力，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；相比索穹頂，上部網(wǎng)殼具有初始剛度，降低了施工難度。弦支穹頂一、研究背景單層網(wǎng)殼索桿體系弦支穹頂工程名稱：山東茌平縣文體中心體育館結(jié)構(gòu)形式：弦支穹頂疊合拱結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼形式：K6+聯(lián)方型球面網(wǎng)殼索撐體系：共設(shè)置7圈索撐體系結(jié)構(gòu)跨度：直徑108m邊界約束：兩圈共48個(gè)徑向釋放支座體育館實(shí)景圖試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D工程背景技術(shù)路線帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系研究滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)弦支穹頂結(jié)構(gòu)精細(xì)化數(shù)值模擬試驗(yàn)研究索力測(cè)試應(yīng)用推廣結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力誤差的敏感性分

3、析基于環(huán)索內(nèi)力相等的找形分析帶摩擦的連續(xù)折線索單元減小摩擦改進(jìn)性能橢球形弦支穹頂匯報(bào)提綱一、研究背景二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索力測(cè)試方法研究三、帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)弦支穹頂及單層網(wǎng)殼試驗(yàn)研究四、滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于橢球形弦支穹頂?shù)男螒B(tài)分析五、預(yù)應(yīng)力隨機(jī)誤差對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的影響分析二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索力測(cè)試方法研究索力測(cè)試方法直接法間接法千斤頂壓力表法壓力傳感器法量測(cè)應(yīng)變法移除錨固法磁通量法振動(dòng)頻率法振動(dòng)波法三點(diǎn)彎曲法靜力平衡法2.1 基于鋼管環(huán)壓方式連接拉索的索力測(cè)試方法弦支穹頂試驗(yàn)要求工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)直接法概念明確精度較高優(yōu)點(diǎn)鋼管環(huán)壓連接拉索的索力測(cè)試方法借鑒壓接錨具承受拉力3t左右構(gòu)造示意圖試件實(shí)物圖試

4、驗(yàn)研究試件1端拉力(kN)應(yīng)變()計(jì)算拉力(kN)1號(hào)應(yīng)變2號(hào)應(yīng)變3號(hào)應(yīng)變4號(hào)應(yīng)變0767702777863723.44151143991256.362081941311758.7將拉索內(nèi)力傳遞到測(cè)力裝置上測(cè)定索力的方式可行鋼管環(huán)壓時(shí)僅能傳遞較小拉力試驗(yàn)儀器：30t拉力機(jī)、電阻應(yīng)變儀試件2測(cè)得應(yīng)變與拉力呈線性關(guān)系2.2 基于夾片錨具連接拉索的索力測(cè)試方法有限元模擬裝置的兩錨環(huán)之間的L2取為100mm時(shí)能滿足精度要求試驗(yàn)研究試件3試件4試驗(yàn)儀器：20kN萬能試驗(yàn)材性試驗(yàn)：E=237GPa錨環(huán)之間凈距L2在100mm時(shí)，已能保證鋼板中間截面內(nèi)的應(yīng)力分布均勻；拉力大于1kN時(shí)，相對(duì)誤差較小，誤差分析

5、表明相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的保證率為95.4%；采用該裝置測(cè)定拉索內(nèi)力時(shí)，只需分別在上下2塊鋼板的中間位置沿軸向布置應(yīng)變片即可精確地測(cè)得拉索內(nèi)力。試驗(yàn)結(jié)果匯報(bào)提綱一、研究背景二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索力測(cè)試方法研究三、帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)弦支穹頂及單層網(wǎng)殼試驗(yàn)研究四、滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于橢球形弦支穹頂?shù)男螒B(tài)分析五、預(yù)應(yīng)力隨機(jī)誤差對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的影響分析試驗(yàn)名稱模型尺寸/m完成單位日本模型試驗(yàn)3日本法政大學(xué)光丘穹頂實(shí)物加載試驗(yàn)35日本法政大學(xué)天保中心屋蓋1：10縮尺模型試驗(yàn)3天津大學(xué)天津自然博物館實(shí)物加載試驗(yàn)18.5天津大學(xué)奧運(yùn)會(huì)羽毛球館1：10縮尺模型試驗(yàn)9.3北京工業(yè)大學(xué)常州體育館1：10縮尺模型試驗(yàn)

6、128北京建筑工程研究院常州體育館縮尺模型試驗(yàn)128東南大學(xué)橢圓平面弦支穹頂結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)6.75.1北京建筑工程研究院濟(jì)南奧體中心8：122縮尺模型試驗(yàn)8浙江大學(xué)大連體育館弦支穹頂結(jié)構(gòu)張拉成形及靜載試驗(yàn)研究14.511.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)國(guó)內(nèi)外對(duì)單層網(wǎng)殼和弦支穹頂單獨(dú)研究均較多，但兩者的對(duì)比分析多停留在數(shù)值分析的層次，僅日本川口衛(wèi)采用兩個(gè)相同的弦支穹頂和相應(yīng)的單層球面網(wǎng)殼進(jìn)行了對(duì)比研究。三、弦支穹頂與相應(yīng)單層網(wǎng)殼的靜力性能對(duì)比試驗(yàn)研究以山東茌平體育館為背景單層網(wǎng)殼試驗(yàn)性能對(duì)比弦支穹頂試驗(yàn)以山東茌平體育館弦支穹頂實(shí)際工程為背景，開展單層網(wǎng)殼靜力性能試驗(yàn)和弦支穹頂?shù)膹埨?、靜力性能試驗(yàn)，對(duì)比分析兩種結(jié)

7、構(gòu)的力學(xué)性能。工程背景3.1 K6型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論基于網(wǎng)殼內(nèi)的薄膜力機(jī)制，提出一種桿件內(nèi)力計(jì)算法：截面法計(jì)算步驟：確定結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)；在求解點(diǎn)處環(huán)向剖切網(wǎng)殼；將相鄰下一圈斜桿視為上部網(wǎng)殼彈簧支座并求解剛度；利用外荷載與結(jié)構(gòu)內(nèi)力的平衡關(guān)系求解出該點(diǎn)的內(nèi)力。豎向荷載作用下網(wǎng)殼內(nèi)力流沿徑向桿的力流沿環(huán)向桿的內(nèi)壓外拉力流薄殼上任一點(diǎn)在面內(nèi)的內(nèi)力分解沿徑向的分力沿緯向的分力3.2 K6型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在球坐標(biāo)系下的有限元計(jì)算方法K6型單層球面網(wǎng)殼的桿件布置呈現(xiàn)出非常強(qiáng)的規(guī)律性，在球坐標(biāo)系中可快速求解各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，結(jié)構(gòu)的有限元分析更適合在球坐標(biāo)系中進(jìn)行，基于此推導(dǎo)球坐標(biāo)系下的桿單元?jiǎng)偠染仃嚒?.3

8、 K6型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)靜力性能試驗(yàn)研究相似比設(shè)計(jì)參數(shù)名幾何應(yīng)力均布荷載桿件截面相似比1：101：12：11：50應(yīng)變測(cè)點(diǎn)：80個(gè)（考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性）位移測(cè)點(diǎn)：15個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置圖位移測(cè)點(diǎn)布置圖腳手架布置應(yīng)變、位移采集系統(tǒng)全跨加載半跨加載桿件編號(hào)XB1-4XB1-5XB3-1XB5-1XB10-1XB12-1XB14-1XB16-1截面法-10.0-3.0-15.5-21.2-20.3-24.6-11.60有限元解-10.2-2.4-17.4-28.3-25.2-25.2-29.6-1.6試驗(yàn)值-22-2.9-33.1-48-51.2-21.6-56-4.8截面法與有限元法計(jì)算結(jié)果較為接近，但均比試

9、驗(yàn)值偏??；截面法與有限元結(jié)果的相近性驗(yàn)證了單層網(wǎng)殼內(nèi)的類似薄膜力的傳力機(jī)制；計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的差別由于桿件受腐蝕后截面有所減小所致。試驗(yàn)過程試驗(yàn)結(jié)果桿件應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移試驗(yàn)值與有限元理論值變化趨勢(shì)相同；由于銹蝕，桿件應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)位移的試驗(yàn)值均大于理論值； 半跨荷載作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力大于全跨荷載作用下。全跨結(jié)果半跨結(jié)果斜向桿件應(yīng)力分布圖環(huán)向桿件應(yīng)力分布圖撓度分布圖斜向桿件應(yīng)力分布圖環(huán)向桿件應(yīng)力分布圖試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)論3.4 弦支穹頂預(yù)應(yīng)力優(yōu)化分析預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)原則拉索在任意工況下不松弛；上部結(jié)構(gòu)受力最優(yōu)；支座水平推力最小。優(yōu)化結(jié)果建立結(jié)構(gòu)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型聯(lián)合運(yùn)用兩種優(yōu)化方法會(huì)得出比較理想的解；先采用零階

10、法或隨機(jī)搜索在全局范圍內(nèi)找到一個(gè)粗糙的合理解；在前面分析基礎(chǔ)上使用一階優(yōu)化方法局部精確尋優(yōu)。計(jì)算方法零階零階+一階隨機(jī)隨機(jī)+一階荷載工況重力+滿跨集中荷載（100kg/節(jié)點(diǎn)）F7（N）5322131397300F6（N）108749941291773F5（N）105995966721604F4（N）2946172370791998F3（N）101092396127632473F2（N）54823435104435041F1（N）1975014230883211511Uz,max（mm）3.862.023.321.52max（MPa）80.843.693.544.83.5 弦支穹頂結(jié)構(gòu)張拉試驗(yàn)研

11、究節(jié)點(diǎn)位移采集系統(tǒng)采用先進(jìn)的激光跟蹤儀組成：激光跟蹤頭（跟蹤儀）、控制器、計(jì)算機(jī)、反射器（靶鏡）等組成特點(diǎn)：高精度（精度達(dá)0.01mm）、高效率、實(shí)時(shí)跟蹤、安裝快捷等原理：角度測(cè)量部分（類似于經(jīng)緯儀）、距離測(cè)量部分、激光跟蹤控制部分試驗(yàn)測(cè)量索力測(cè)量應(yīng)變、位移測(cè)量的測(cè)點(diǎn)布置與采集方式與單層網(wǎng)殼試驗(yàn)相同試驗(yàn)測(cè)量斜拉索測(cè)點(diǎn)環(huán)索測(cè)點(diǎn)、張拉點(diǎn)環(huán)索內(nèi)力測(cè)量實(shí)景圖張拉時(shí)由外向內(nèi)分2級(jí)張拉；張拉點(diǎn)布置，張拉力控制值；張拉時(shí)保證擰螺栓的速度基本一致，保持在5圈/30s。張拉力控制值級(jí)數(shù)第1圈第2圈第3圈第4圈第5圈第6圈第7圈第1級(jí)(N)495022201270945495370100第2級(jí)(N)1150050

12、402470200016001770300張拉試驗(yàn)最外圈環(huán)索對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最顯著；最外圈環(huán)索的張拉，使內(nèi)圈索力增大，且增大幅度由外向內(nèi)逐漸減??；后一圈環(huán)索的張拉使外側(cè)已張拉環(huán)索的內(nèi)力變大，且相鄰圈影響最大；斜拉桿與相應(yīng)位置環(huán)索內(nèi)力變化相對(duì)應(yīng)，但斜拉桿中的內(nèi)力分布不均；張拉過程網(wǎng)殼桿件應(yīng)力均較小，起拱最大區(qū)域位于第1圈環(huán)索上方區(qū)域。上部網(wǎng)殼桿件應(yīng)力變化曲線圖斜拉桿內(nèi)力變化曲線豎向位移變化曲線試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)論3.6 弦支穹頂結(jié)構(gòu)靜力性能試驗(yàn)研究加載點(diǎn)：均勻選取上部網(wǎng)殼80個(gè)(全跨)/40個(gè)(半跨)加載點(diǎn)加載方式：吊載加載等級(jí)：5級(jí)加載，0.2kN/點(diǎn)；3級(jí)卸載，前2級(jí)每級(jí)卸0.4kN/點(diǎn)，第3級(jí)0.

13、2kN/點(diǎn)張拉試驗(yàn)結(jié)束后在滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)的兩側(cè)裝置索扣防止索滑移全跨加載試驗(yàn)半跨加載試驗(yàn)拉索與滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)間的固定全跨與半跨試驗(yàn)各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)與理論分析的變化規(guī)律相似；結(jié)構(gòu)在全/半跨荷載下應(yīng)力與變形均很小，說明結(jié)構(gòu)有足夠強(qiáng)度與剛度。全跨結(jié)果半跨結(jié)果斜向桿件應(yīng)力分布圖環(huán)向桿件應(yīng)力分布圖撓度分布圖斜向桿件應(yīng)力分布圖環(huán)向桿件應(yīng)力分布圖撓度分布圖試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)論3.7 弦支穹頂與單層網(wǎng)殼靜力性能對(duì)比分析在全跨荷載作用下，單層網(wǎng)殼和弦支穹頂?shù)男毕驐U件均以受壓為主，且內(nèi)力分布規(guī)律相似；環(huán)向桿件內(nèi)力的變化規(guī)律也相似，均表現(xiàn)為內(nèi)圈受壓，靠近外圈受拉，但弦支穹頂由于下部張拉體系的引入，減小了上部網(wǎng)殼中的桿件

14、應(yīng)力。在半跨荷載作用下，兩種結(jié)構(gòu)的斜向桿件的最大應(yīng)力均靠近跨中位置，但弦支穹頂?shù)淖畲髴?yīng)力相比單層網(wǎng)殼減小了52.9%；但是弦支穹頂由于下部張拉體系的張拉在外圈環(huán)向桿件中預(yù)先產(chǎn)生了較大的預(yù)壓應(yīng)力，從而使得外圈環(huán)向桿件在荷載作用下實(shí)際受力情況為受壓（單層網(wǎng)殼受拉）。兩種結(jié)構(gòu)全跨荷載下的撓度均大于半跨下的，但弦支穹頂?shù)淖畲筘Q向位移相比單層網(wǎng)殼減小了51.5%。弦支穹頂和單層網(wǎng)殼模型試驗(yàn)的加載制度、加載方式和測(cè)點(diǎn)布置相同，且兩種結(jié)構(gòu)的單層網(wǎng)殼為同一模型，因此具有較強(qiáng)的對(duì)比性：匯報(bào)提綱一、研究背景二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索力測(cè)試方法研究三、帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)弦支穹頂及單層網(wǎng)殼試驗(yàn)研究四、滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于橢

15、球形弦支穹頂?shù)男螒B(tài)分析五、預(yù)應(yīng)力隨機(jī)誤差對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的影響分析肋環(huán)型聯(lián)方型凱威特型研究路線索撐體系超靜定次數(shù)大于環(huán)索單元數(shù)？是可保證同圈環(huán)索內(nèi)力相等滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)否找形（改變幾何形狀）初始平衡態(tài)分析（平衡矩陣?yán)碚摚┡袛嗦?lián)方&凱威特肋環(huán)型四、滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于橢球形弦支穹頂?shù)男螒B(tài)分析橢球形索撐體系布置方案肋環(huán)型聯(lián)方型t=31.43F1+2.32, -43.33F1-2.66, -21.49F2-2.64, 31.08F2+4.58, -21.49F2-2.64, -43.33 F3-2.66, 31.43F3+2.32, F1, F2, F3, 1, 1T索撐體系超靜定次數(shù)不小于環(huán)索單元

16、數(shù)時(shí)能滿足各段環(huán)索索力相等肋環(huán)型索撐體系超靜定次數(shù)1，僅存在一種預(yù)應(yīng)力模態(tài)，同圈環(huán)索力的比值由其自應(yīng)力模態(tài)決定，不可能相等；聯(lián)方型索撐體系的超靜定次數(shù)與環(huán)索單元數(shù)相等，最終可行預(yù)應(yīng)力由其預(yù)應(yīng)力模態(tài)矢量線性組合，通過合理的組合保證各段索力相等；凱威特型索撐體系的超靜定次數(shù)大于環(huán)索單元數(shù)，與聯(lián)方型類似，可通過合理的組合保證各段環(huán)索索力相等。凱威特型初始平衡態(tài)分析力密度法基本方程約束條件方程擴(kuò)展力密度迭代求解其中：+找形分析擴(kuò)展力密度法在線性力密度法的基礎(chǔ)上引入限制條件，由于限制條件的引入，原來線性的問題變成了非線性問題。找形目標(biāo)：環(huán)索內(nèi)力相等，均等于預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值；各撐桿下節(jié)點(diǎn)位于同一設(shè)定標(biāo)高上。找

17、形過程：給出一組力密度初始值q0；求解各桿件的內(nèi)力和支座反力并與限制條件進(jìn)行對(duì)比后，對(duì)q進(jìn)行調(diào)整；重新計(jì)算至滿足限制條件。所有變量均為q的函數(shù)找形前后坐標(biāo)差節(jié)點(diǎn)編號(hào)123456789101112坐標(biāo)差(mm)x0347422415.24223470-347-422-415.2-422-347y473317.5560-56-317.5-473-317.5-56056317.5z000000000000 x=x改進(jìn)-x傳統(tǒng)；y=y改進(jìn)-y傳統(tǒng)；z=z改進(jìn)-z傳統(tǒng)經(jīng)過少量的迭代次數(shù)即達(dá)到精度要求；找形得到的撐桿下節(jié)點(diǎn)與原型同一標(biāo)高，不影響建筑要求。找形前找形后找形結(jié)果編號(hào)12345678910111

18、2改進(jìn)型索力/N495050105080508050104950495050105080508050104950誤差-1.0%0.2%1.6%1.6%0.2%-1.0%-1.0%0.2%1.6%1.6%0.2%-1.0%傳統(tǒng)型索力/N550049204280428049205500550049204280428049205500誤差10.0%-1.6%-14.4%-14.4%-1.6%10.0%10.0%-1.6%-14.4%-14.4%-1.6%10.0%改進(jìn)型橢球弦支穹頂在荷載（2kN/m2+自重）作用下，結(jié)構(gòu)的整體變形將致各段環(huán)索內(nèi)力不等，但最大誤差僅為1.6%，小于傳統(tǒng)型的14.4%；

19、通過考察索力分布規(guī)律，建議張拉時(shí)宜在長(zhǎng)軸方向的下方設(shè)置張拉點(diǎn)，利用索撐節(jié)點(diǎn)處的摩擦損失來實(shí)現(xiàn)短軸下方的索段內(nèi)力偏小的規(guī)律。傳統(tǒng)型Wmax=1.1mm；max=21.4N/mm2改進(jìn)型Wmax=1.1mm；max=21.4N/mm2a=5mb=3.75mf=1.5m894.5604.550,30結(jié)構(gòu)整體性能分析匯報(bào)提綱一、研究背景二、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索力測(cè)試方法研究三、帶滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)弦支穹頂及單層網(wǎng)殼試驗(yàn)研究四、滾動(dòng)式張拉索節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于橢球形弦支穹頂?shù)男螒B(tài)分析五、預(yù)應(yīng)力隨機(jī)誤差對(duì)弦支穹頂結(jié)構(gòu)的影響分析由于張拉設(shè)備和索力測(cè)量系統(tǒng)的局限性，預(yù)應(yīng)力誤差不可避免地存在，弦支穹頂結(jié)構(gòu)的整體性能將受到影響，基于概率統(tǒng)計(jì)原理，結(jié)合山東茌平體育館分析預(yù)應(yīng)力隨機(jī)誤