帶滾動式張拉索節(jié)點的弦支穹頂結構體系研究

帶滾動動式張張拉索索節(jié)點點的弦弦支穹穹頂結構體體系研研究天津大大學鋼鋼結構構研究究所Researchesonasuspen-domestructurewithslidingcable-strutjointinstalled導師師：：陳志志華(教授)博士生生：嚴仁仁章2014年7月20日匯報提提綱一、研研究背背景二、預預應力力鋼結結構索索力測測試方方法研研究三、帶帶滾動動式張張拉索索節(jié)點點弦支支穹頂頂及單單層網(wǎng)網(wǎng)殼試試驗研研究四、滾滾動式式張拉拉索節(jié)節(jié)點應應用于于橢球球形弦弦支穹穹頂?shù)牡男螒B(tài)態(tài)分析析五、預預應力力隨機機誤差差對弦弦支穹穹頂結結構的的影響響分析析結構優(yōu)優(yōu)點結構效效能高、施工方便推廣應應用結構設設計理論、、施工工方法施工方方法尋求高高效施施工方方法：：張拉拉環(huán)索索工程問問題摩擦損損失，，影響響結構構整體體穩(wěn)定定性解決措措施滾動式式張拉拉索節(jié)節(jié)點用用于弦弦支穹穹頂新結構構性能能研究究基于張張拉整整體思思想提提出的的弦支支穹頂頂結構構由上上部單單層網(wǎng)網(wǎng)殼和和下部部索撐撐體系系組成成。相相比單單層網(wǎng)網(wǎng)殼可可減小支支座反反力，提高結構的的穩(wěn)定性性；相比比索穹穹頂，，上部部網(wǎng)殼殼具有有初始始剛度度，降低了施工難難度。弦支穹穹頂一、研究背景單層網(wǎng)網(wǎng)殼索桿體體系弦支穹穹頂工程名名稱：：山東東茌平平縣文文體中中心體體育館館結構形形式：：弦支穹穹頂疊疊合拱拱結構構網(wǎng)殼形形式：：K6+聯(lián)方型型球面面網(wǎng)殼殼索撐體系系：共共設置置7圈索撐撐體體系系結構構跨跨度度：：直直徑徑108m邊界界約約束束：：兩兩圈圈共共48個徑向向釋釋放放支座座體育育館館實實景景圖圖試驗驗模模型型圖工程程背背景景技術術路線線帶滾滾動動式式張張拉拉索索節(jié)節(jié)點點的的弦支支穹頂頂結結構構體系系研究究滾動動式式張張拉拉索索節(jié)節(jié)點點弦支穹穹頂頂結結構構精細細化化數(shù)數(shù)值值模模擬擬試驗驗研究究索力力測測試試應用用推推廣廣結構構對對預預應應力力誤誤差差的的敏敏感感性性分分析析基于于環(huán)環(huán)索索內內力力相相等等的的找找形形分分析析帶摩摩擦擦的的連連續(xù)續(xù)折折線線索索單單元元減小小摩擦擦改進進性性能能橢球球形形弦支支穹穹頂頂匯報報提提綱綱一、、研研究究背背景景二、、預預應應力力鋼鋼結結構構索索力力測測試試方方法法研研究究三、、帶帶滾滾動動式式張張拉拉索索節(jié)節(jié)點點弦弦支支穹穹頂頂及及單單層層網(wǎng)網(wǎng)殼殼試試驗驗研研究究四、、滾滾動動式式張張拉拉索索節(jié)節(jié)點點應應用用于于橢橢球球形形弦弦支支穹穹頂頂?shù)牡男涡螒B(tài)態(tài)分分析析五、、預預應應力力隨隨機機誤誤差差對對弦弦支支穹穹頂頂結結構構的的影影響響分分析析二、、預應應力力鋼鋼結結構構索索力力測測試試方方法法研研究究索力力測測試試方方法法直接接法法間接法法千斤斤頂頂壓壓力力表表法法壓力力傳傳感感器器法法量測測應應變變法法移除除錨錨固固法法磁通通量量法法振動動頻率率法法振動動波波法法三點點彎彎曲曲法法靜力力平平衡衡法法2.1基于于鋼管管環(huán)環(huán)壓壓方式式連連接接拉拉索索的的索索力力測測試試方法法弦支支穹穹頂頂試驗驗要要求求工程程實踐踐經驗驗直接接法法概念念明明確確精度度較較高高優(yōu)點點鋼管管環(huán)壓連連接接拉拉索索的索力測試試方法借鑒壓接錨具承受拉力3t左右構造示意意圖試件實物物圖試驗研究究試件1端拉力(kN)應變(με)計算拉力(kN)1號應變2號應變3號應變4號應變0767702777863723.44151143991256.362081941311758.7將拉索內力力傳遞到到測力裝裝置上測定索力的方式可行行鋼管環(huán)壓時僅能傳傳遞較小拉力力試驗儀器器：30t拉力機、、電阻應應變儀試件2測得應變與拉拉力呈線線性關系2.2基于夾片錨具具連接拉索索的索力力測試方方法有限元模模擬裝置的兩錨環(huán)環(huán)之間的L2取為100mm時能滿足足精度要要求試驗研究究試件3試件4試驗儀器器：20kN萬能試驗驗材性試驗驗：E=237GPa錨環(huán)之間凈距L2在100mm時，已能保證鋼板板中間截面面內的應力分布布均勻；拉力大于1kN時，相對對誤差較小，誤差分析析表明相對誤差差在10%以內的保保證率為為95.4%；采用該裝置測測定拉索索內力時時，只需需分別在在上下2塊鋼板的的中間位置置沿軸向布置應變變片即可精確確地測得得拉索內內力。試驗結果果匯報提綱綱一、研究究背景二、預應應力鋼結結構索力力測試方方法研究究三、帶滾滾動式張張拉索節(jié)節(jié)點弦支支穹頂及及單層網(wǎng)網(wǎng)殼試驗驗研究四、滾動動式張拉拉索節(jié)點點應用于于橢球形形弦支穹穹頂?shù)男涡螒B(tài)分析析五、預應應力隨機機誤差對對弦支穹穹頂結構構的影響響分析試驗名稱模型尺寸/m完成單位日本模型試驗3日本法政大學光丘穹頂實物加載試驗35日本法政大學天保中心屋蓋1：10縮尺模型試驗3天津大學天津自然博物館實物加載試驗18.5天津大學奧運會羽毛球館1：10縮尺模型試驗9.3北京工業(yè)大學常州體育館1：10縮尺模型試驗12×8北京建筑工程研究院常州體育館縮尺模型試驗12×8東南大學橢圓平面弦支穹頂結構模型試驗6.7×5.1北京建筑工程研究院濟南奧體中心8：122縮尺模型試驗8浙江大學大連體育館弦支穹頂結構張拉成形及靜載試驗研究14.5×11.6哈爾濱工業(yè)大學國內外對對單層網(wǎng)網(wǎng)殼和弦弦支穹頂單獨獨研究均較較多，但兩者的對比分分析多停停留在數(shù)數(shù)值分析析的層次次，僅日本川口衛(wèi)采用用兩個相相同的弦弦支穹頂和相相應的單層球球面網(wǎng)殼進行了對比研研究。三、弦支穹頂頂與相應應單層網(wǎng)網(wǎng)殼的靜靜力性能能對比試試驗研究究以山東茌平平體育館館為背景單層網(wǎng)殼殼試驗性能對比比弦支穹頂頂試驗以山東茌茌平體育育館弦支支穹頂實實際工程程為背景景，開展展單層網(wǎng)殼殼靜力性性能試驗驗和弦支穹頂頂?shù)膹埨?、靜力力性能試試驗，對比分分析兩種種結構的的力學性性能。工程背景景3.1K6型單層網(wǎng)網(wǎng)殼結構構的計算算理論基于網(wǎng)殼殼內的薄薄膜力機機制，提提出一種種桿件內內力計算算法：截面法計算步驟驟：確定結構構的幾何參數(shù)數(shù)；在求解點點處環(huán)向剖切切網(wǎng)殼；將相鄰下下一圈斜桿視為上部部網(wǎng)殼彈簧支座座并求解剛度度；利用外荷荷載與結結構內力力的平衡衡關系求求解出該該點的內內力。豎向荷載載作用下下網(wǎng)殼內內力流沿徑向桿桿的力流流沿環(huán)向桿的內壓外拉力流薄殼上任任一點在在面內的的內力分解沿徑向的分力沿緯向的分分力3.2K6型單層網(wǎng)網(wǎng)殼結構構在球坐坐標系下下的有限限元計算算方法K6型單層球球面網(wǎng)殼殼的桿件布置置呈現(xiàn)出出非常強強的規(guī)律律性，在球坐標系系中可快快速求解解各個節(jié)節(jié)點的坐坐標，結構的的有限元元分析更更適合在在球坐標標系中進進行，基基于此推推導球坐標系系下的桿單元元剛度矩矩陣。3.3K6型單層網(wǎng)網(wǎng)殼結構構靜力性性能試驗驗研究相似比設計參數(shù)名幾何應力均布荷載桿件截面相似比1：101：12：11：50應變測點點：80個（考慮慮結構對對稱性））位移測點點：15個應變測點點布置圖圖位移測點點布置圖圖腳手架布布置應變、位位移采集集系統(tǒng)全跨加載載半跨加載載桿件編號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試驗值-22-2.9-33.1-48-51.2-21.6-56-4.8截面法與有限元法計算結果較為接近，但均比試驗值值偏?。唤孛娣ㄅc有限元結結果的相近性性驗證了單層網(wǎng)網(wǎng)殼內的類似薄膜膜力的傳力機制；計算值與試驗驗值之間間的差別由于于桿件受腐蝕后截面有有所減小小所致。。試驗過程程試驗結果果桿件應力力、節(jié)點點位移試驗值與有限元理論值變化趨勢勢相同；由于銹蝕，桿件應應力、節(jié)節(jié)點位移移的試驗值均大于理論論值；半跨荷載作用用下結構構的最大應力力大于全全跨荷載作用用下。全跨結果果半跨結果果斜向桿件件應力分分布圖環(huán)向桿件件應力分分布圖撓度分布布圖斜向桿件件應力分分布圖環(huán)向桿件件應力分分布圖試驗結果果試驗結論論3.4弦支穹頂預預應力優(yōu)優(yōu)化分析析預應力設設計原則則拉索在任任意工況況下不松松弛；上部結構構受力最最優(yōu)；支座水平平推力最最小。優(yōu)化結果果建立結構的優(yōu)優(yōu)化數(shù)學學模型聯(lián)合運用兩種種優(yōu)化方法會得出比較理想想的解；先采用零階法或隨隨機搜索索在全局范范圍內找找到一個個粗糙的的合理解；在前面分析析基礎上上使用一一階優(yōu)化化方法局局部精確確尋優(yōu)。。計算方法零階零階+一階隨機隨機+一階荷載工況重力+滿跨集中荷載（100kg/節(jié)點）F7（N）5322131397300F6（N）108749941291773F5（N）105995966721604F4（N）2946172370791998F3（N）101092396127632473F2（N）54823435104435041F1（N）1975014230883211511Uz,max（mm）3.862.023.321.52σmax（MPa）80.843.693.544.83.5弦支穹頂頂結構構張拉拉試驗驗研究究節(jié)點位位移采采集系系統(tǒng)采采用先先進的的激光跟跟蹤儀儀組成：激光光跟蹤蹤頭（（跟蹤蹤儀））、控控制器器、計算算機、反射射器（（靶鏡鏡）等組組成特點：高精精度（（精度度達0.01mm）、高高效率率、實實時跟跟蹤、、安裝裝快捷捷等原理：角度度測量量部分分（類類似于于經緯緯儀））、距距離測測量部部分、、激光光跟蹤蹤控制制部分分試驗測測量索力測測量應變、、位移移測量量的測測點布布置與與采集集方式式與單單層網(wǎng)網(wǎng)殼試試驗相相同試驗測測量斜拉索索測點點環(huán)索測測點、、張拉拉點環(huán)索內內力測測量實實景圖圖張拉時由外外向內分2級張拉拉；張拉點點布置置，張張拉力力控制制值；；張拉時時保證證擰螺螺栓的的速度基本一致，保持持在5圈/30s。張拉力控制值級數(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(N)495022201270945495370100第2級(N)1150050402470200016001770300張拉試試驗最外圈環(huán)索對對結構構的影影響最顯著著；最外圈圈環(huán)索的張拉，，使內圈索力增大，，且增大幅度由外向向內逐逐漸減減??；后一圈圈環(huán)索索的張拉使使外側已已張拉拉環(huán)索索的內內力變變大，且相相鄰圈圈影響響最大大；斜拉桿與與相應位置環(huán)環(huán)索內內力變化相相對應應，但斜拉桿中中的內內力分分布不不均；；張拉過程網(wǎng)網(wǎng)殼桿桿件應力均均較小小，起拱最最大區(qū)域位于第第1圈環(huán)索索上方區(qū)區(qū)域。上部網(wǎng)網(wǎng)殼桿件應應力變變化曲線圖圖斜拉桿桿內力變變化曲線豎向位移變變化曲線試驗結結果試驗結結論3.6弦支穹頂頂結構構靜力力性能能試驗驗研究究加載點點：均勻選取上上部網(wǎng)網(wǎng)殼80個(全跨)/40個(半跨)加載點點加載方方式：：吊載載加載等等級：：5級加載載，0.2kN/點；3級卸載載，前2級每級卸0.4kN/點，第3級0.2kN/點張拉試試驗結結束后后在滾滾動式式張拉拉索節(jié)節(jié)點的的兩側側裝置置索扣扣防止索索滑移移全跨加加載試試驗半跨加加載試試驗拉索與與滾動動式張張拉索索節(jié)點點間的的固定定全跨與半半跨試驗驗各項項力學響響應與與理論論分析的的變化規(guī)規(guī)律相似；結構在全/半跨荷載下下應力力與變變形均很小小，說說明結構有有足夠強強度與剛度。全跨結結果半跨結結果斜向桿件件應力力分布布圖環(huán)向桿件件應力力分布布圖撓度分布圖圖斜向桿件件應力力分布布圖環(huán)向桿件件應力力分布布圖撓度分布圖圖試驗結結果試驗結結論3.7弦支穹頂頂與單單層網(wǎng)網(wǎng)殼靜靜力性性能對對比分分析在全跨荷荷載作作用下，單單層網(wǎng)網(wǎng)殼和和弦支支穹頂頂?shù)男毕驐U桿件均以受受壓為為主，，且內力分布規(guī)規(guī)律相相似；環(huán)向桿桿件內力的變化規(guī)規(guī)律也也相似似，均表表現(xiàn)為為內圈圈受壓壓，靠靠近外外圈受受拉，，但弦支穹穹頂由于下部張張拉體體系的引入入，減小了了上部網(wǎng)網(wǎng)殼中中的桿桿件應力。在半跨荷荷載作作用下，兩種結結構的斜向桿件件的最大大應力力均靠靠近跨中位位置，但弦弦支穹穹頂?shù)牡淖畲蟠髴αο啾缺葐螌訉泳W(wǎng)殼殼減小小了52.9%；但是弦支穹穹頂由于下部張張拉體體系的的張拉拉在外外圈環(huán)環(huán)向桿桿件中中預先先產生生了較較大的的預壓應應力，從而而使得得外圈圈環(huán)向向桿件件在荷荷載作作用下下實際受受力情情況為為受壓壓（單層層網(wǎng)殼殼受拉拉）。。兩種結結構全跨荷載下下的撓度均大于半半跨下的，但弦支穹穹頂?shù)淖畲蟠筘Q向向位移移相比比單層層網(wǎng)殼殼減小小了51.5%。弦支穹頂和單層網(wǎng)殼模型試驗的加載制度、、加載載方式式和測測點布置相相同，，且兩種結構的的單層層網(wǎng)殼殼為同同一模模型，，因此此具有有較強強的對對比性：匯報提提綱一、研研究背背景二、預預應力力鋼結結構索索力測測試方方法研研究三、帶帶滾動動式張張拉索索節(jié)點點弦支支穹頂頂及單單層網(wǎng)網(wǎng)殼試試驗研研究四、滾滾動式式張拉拉索節(jié)節(jié)點應應用于于橢球球形弦弦支穹穹頂?shù)牡男螒B(tài)態(tài)分析析五、預預應力力隨機機誤差差對弦弦支穹穹頂結結構的的影響響分析析肋環(huán)型型聯(lián)方型型凱威特特型研究路路線索撐體體系超靜定定次數(shù)數(shù)大于于環(huán)索索單元元數(shù)？？是可保證證同圈環(huán)環(huán)索內內力相相等滾動式式張拉拉索節(jié)節(jié)點否找形（改變變幾何何形狀狀）初始平平衡態(tài)態(tài)分析析（平衡衡矩陣陣理論論）判斷聯(lián)方&凱威特特肋環(huán)型型四、滾滾動式式張拉拉索節(jié)節(jié)點應應用于于橢球球形弦弦支穹穹頂?shù)牡男螒B(tài)態(tài)分析析橢球形形索撐撐體系系布置置方案案肋環(huán)型型聯(lián)方型型t={31.43F1+2.32,-43.33F1-2.66,-21.49F2-2.64,31.08F2+4.58,-21.49F2-2.64,-43.33F3-2.66,31.43F3+2.32,F1,F2,F3,1,1}T索撐體系超靜定次數(shù)不小于于環(huán)索單元元數(shù)時能滿足各段環(huán)環(huán)索索力相相等肋環(huán)型索撐體系超靜定定次數(shù)1，僅存在一種預應力力模態(tài)，同圈環(huán)索力的比值由其其自應力模模態(tài)決定，，不可能相相等；聯(lián)方型索撐體系的超靜定次數(shù)數(shù)與環(huán)索單元數(shù)數(shù)相等，最終可行預應力由其預應力力模態(tài)矢量量線性組合合，通過合理的組合合保證各段索力相等等；凱威特型索撐體系系的超靜定定次數(shù)大于于環(huán)索單元元數(shù)，與聯(lián)聯(lián)方型類似似，可通過過合理的組組合保證各各段環(huán)索索索力相等。。凱威特型初始平衡態(tài)態(tài)分析力密度法基本方程約束條件方方程擴展力密度度迭代求解其中：+找形分析擴展力密度度法在線性力密度度法的基礎礎上引入限限制條件，，由于限制制條件的引引入，原來來線性的問問題變成了了非線性問題題。找形目標：：環(huán)索內力相等，均等于預應力設計計值；各撐桿下節(jié)點位于同一設定標高上。找形過程：：給出一組力密密度初始值值q0；求解各桿件的內力力和支座反力并與限制條件進進行對比后后，對q進行調整；重新計算至至滿足限制條條件。所有變量均均為q的函數(shù)找形前后坐標差節(jié)點編號123456789101112坐標差(mm)Δx0347422415.24223470-347-422-415.2-422-347Δy473317.5560-56-317.5-473-317.5-56056317.5Δz000000000000Δx=x改進-x傳統(tǒng)；Δy=y改進-y傳統(tǒng)；Δz=z改進-z傳統(tǒng)經過少量的的迭代次數(shù)數(shù)即達到精精度要求；；找形得到的的撐桿下節(jié)節(jié)點與原型型同一標高高，不影響響建筑要求求。找形前找形后找形結果編號123456789101112改進型索力/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%改進型橢球弦支穹穹頂在荷載（2kN/m2+自重）作用下，結構的整體變形將致各段環(huán)索內力不等，但最大誤差僅僅為1.6%，小于傳統(tǒng)型的14.4%；通過考察索力分分布規(guī)律，，建議張拉時宜在長長軸方向的下方方設置張拉拉點，利用索撐撐節(jié)點處的的摩擦損失來來實現(xiàn)短軸下方的索段內力力偏小的規(guī)規(guī)律。傳統(tǒng)型Wmax=1.1mm；σmax=21.4N/mm2改進型Wmax=1.1mm；σmax=21.4N/mm2a=5mb=3.75mf=1.5mΦ89×4.5Φ60×4.5Φ50,ΦΦ30結構整體性能分析匯報提綱一、研究背背景二、預應力力鋼結構索索力測試方方法研究三、帶滾動