拱形張弦拱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與其靜力性能

拱形張弦拱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析與其靜力性能研究研究生：陳楠導(dǎo)師：趙基達(dá)、宋濤日期：1

主要內(nèi)容一、拱形張弦拱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介二、均布荷載作用下的求解三、預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程分析四、反對(duì)稱荷載作用下的求解五、算例與有限元的比較六、拱形張弦拱靜力特性七、模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介八、結(jié)論2

主要內(nèi)容一、拱形張弦拱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介二、均布荷載作用下的求解三、預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程分析四、反對(duì)稱荷載作用下的求解五、算例與有限元的比較六、拱形張弦拱靜力特性七、模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介八、結(jié)論一、拱形張弦拱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介1.1傳統(tǒng)張弦拱與拱形張弦拱

3圖1傳統(tǒng)張弦拱結(jié)構(gòu)圖2拱形張弦拱結(jié)構(gòu)45圖3鄭州新鄭國(guó)際機(jī)場(chǎng)內(nèi)景工程實(shí)例61.2拱形張弦拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）下弦懸索平衡上弦拱的水平推力，保留了傳統(tǒng)張弦結(jié)構(gòu)自平衡的優(yōu)勢(shì)；（2）傳統(tǒng)張弦拱的撐桿變?yōu)槔瓧U，避免了中間桿件截面尺寸過(guò)大；（3）結(jié)構(gòu)只有上弦拱為壓彎構(gòu)件，其余都為拉桿，結(jié)構(gòu)效率更高；（4）有更大的建筑室內(nèi)空間可以利用，結(jié)構(gòu)也更為簡(jiǎn)潔、輕巧，內(nèi)部造型也更為優(yōu)美。7主要性內(nèi)容一、箏拱形托張弦麥拱結(jié)捧構(gòu)簡(jiǎn)副介二、漫均布飛荷載渡作用抄下的燥求解三、陜預(yù)應(yīng)泄力張攜拉過(guò)風(fēng)程分歲析四、折反對(duì)中稱荷漏載作仔用下學(xué)的求靈解五、氧算例貸與有庭限元嗎的比作較六、阿拱形除張弦瓶拱靜常力特世性七、偉模型漆試驗(yàn)摸簡(jiǎn)介八、肺結(jié)論8二、筐均布帶荷載陜作用畏下的近求解2.鍵1計(jì)算太簡(jiǎn)圖圖4拱形臺(tái)張弦毒拱結(jié)幸構(gòu)計(jì)第算簡(jiǎn)宇圖92.筆2計(jì)算儉假定（1）在平班衡微邪分方憶程推驢導(dǎo)中蛛考慮頓幾何咬非線搜性；（2）中間杜豎向型拉桿跨假定俗為剛脅性桿資件，判拱與裝索豎餐向位皂移協(xié)午調(diào)；（3）拱考跡慮軸炎向與昌彎曲區(qū)變形立，不絞計(jì)剪業(yè)切變械形；辦索僅縣考慮幣軸向震變形隙且只詞考慮疾受拉資；（4）拱與蛇索材適料均繳為線捎彈性尚。102.擠3整體最平衡按微分刺方程楊推導(dǎo)拱形票張弦駁拱結(jié)員構(gòu)的哲上弦敘拱與援下弦涼索的酬微段貴隔離近體如狹圖5所示雅：圖5拱形射張弦劃拱結(jié)搶構(gòu)的查拱、音索微敘段平墊衡關(guān)扎系（a)拱微麥段隔置離體（b)索微偽段隔置離體11根據(jù)軟拱與錦索微怠段的筆平衡天關(guān)系宜，并禮考慮度到結(jié)憑構(gòu)上忙弦拱桃推力綱與下跡弦索菌拉力掀自平壩衡，蔥則得池結(jié)構(gòu)怒水平年內(nèi)力腸（簡(jiǎn)魄稱索持力）,故可掙得結(jié)驅(qū)構(gòu)整墓體平踩衡微庫(kù)分方認(rèn)程為寶：設(shè)在煩荷載四增量作用本下，詞結(jié)構(gòu)腹豎向蹤蝶位移書為，相復(fù)應(yīng)的黑荷載款變?yōu)?，索符力變部為、拱話彎矩皺變?yōu)楣芭c逼索的吸形狀深曲線伙變?yōu)榕c,將上員述變幸量代怪入(1腸)式可雞得結(jié)余構(gòu)的撲平衡揉微分噴方程牽為：12聯(lián)立(1撤)、(2鉛)并考環(huán)慮到事拱的,其中可得告結(jié)構(gòu)面在荷寄載增戶量作廣用下牢的平異衡微推分方當(dāng)程為歸：從(3金)式可嗽以發(fā)附現(xiàn)同窄傳統(tǒng)叫張弦爹拱結(jié)窄構(gòu)一莖樣，朱結(jié)構(gòu)蒙與初社始內(nèi)咳力無(wú)嚇關(guān)，傷表現(xiàn)跑出線胖性特搞性。若另外掏，在肢均布席荷載臭下，判考慮慘到結(jié)悶構(gòu)高逐度遠(yuǎn)晃大于慎上弦沖拱高烈度，菌故(3眼)式可青進(jìn)一完步簡(jiǎn)前化為菜式(4碼)，此快式即歐為整枕體平橡衡微使分方嫌程。132.株4變形哲協(xié)調(diào)頂關(guān)系君推導(dǎo)為求但解式(4慶)，需譽(yù)引入榮變形淺協(xié)調(diào)利條件垂。引臂入圖6所示綿微元商。其繭中圖(a份)的結(jié)疤構(gòu)微執(zhí)元變底形由崇圖(b眉)微元彎的轉(zhuǎn)留動(dòng)孔）與進(jìn)圖(c旬)微元?dú)У妮S重向應(yīng)漏變貓線況性疊球加構(gòu)翼成。圖6拱形釋張弦逆拱結(jié)開(kāi)構(gòu)微元朽變形崖圖（a)（b)（c)14由上石述微賓元可踏得微招分關(guān)葛系：，故差：又謙及屠，鏡并同豈時(shí)考旱慮邊輪界條呈件山則型得：進(jìn)一憶步考錄慮邊熟界條只件：嬸則：15式(6獅)、（7）即擴(kuò)為拱先形張煎弦拱糠結(jié)構(gòu)逃的變協(xié)形協(xié)清調(diào)條濁件。162.奪5整體替平衡濱微分烤方程撒求解聯(lián)立(6傲)、(7地)式可碼求得檔，羨并得該平衡斑微分乓方程譜為式(8綱)：考慮還邊界瞧條件銳假定斥位移炮函數(shù)仔為杯。均智布荷叢載作犁用下限，為扔簡(jiǎn)化忙可取交代入駱式(8饑)后得:17其中陳：18此處谷稱為樂(lè)拱形呼張弦幸拱結(jié)價(jià)構(gòu)參導(dǎo)數(shù)，跳該參瘋數(shù)與蠅下列活因素慶相關(guān)栗：結(jié)委構(gòu)的懼高度秩、拱誦與索番的矢催（垂煌）跨懶比、池拱與云索的沾彈性結(jié)模量終與截涌面面攤積、損拱的櫻抗彎瞇剛度座，其宜值的墓變化晌集中也反映運(yùn)了結(jié)次構(gòu)的把性能紛。對(duì)式（9）用伽遼狀金法轎對(duì)假榴定位詳移函盒數(shù)得佛出的剩不平稿衡力簽在可翼能的肝位移揭下積盛分為秩零，便即:求得尾參數(shù)演項(xiàng)后得亦該拱膨形張惹弦拱魚結(jié)構(gòu)杏的位詳移函差數(shù)解毒為：19進(jìn)一鬧步可耍得相征應(yīng)支物座水鹿平位宵移、聽(tīng)索力饒?jiān)隽克夼c拱鬼的彎贈(zèng)矩分亭別為苗式(1釀2)、(1縮慧3)、(1俘4)敲:20主要封內(nèi)容一、懇拱形毫張弦暈拱結(jié)制構(gòu)簡(jiǎn)貫介二、礙均布嘴荷載幕作用有下的殿求解三、戒預(yù)應(yīng)充力張超拉過(guò)鼓程分憶析四、械反對(duì)陜稱荷捏載作艱用下毯的求宏解五、話算例量與有條限元線的比付較六、筒拱形澆張弦搭拱靜吃力特疏性七、得模型關(guān)試驗(yàn)麥簡(jiǎn)介八、臂結(jié)論21三、命預(yù)應(yīng)氧力張釀拉過(guò)滾程分地析預(yù)應(yīng)燒力張然拉過(guò)君程中蓬，不綿考慮舍外部騾荷載乘及不藥計(jì)結(jié)上構(gòu)自引重的竟情況確下，香由(3砍)式可交知其宵整體需平衡懼微分用方程陵為：模擬般索的啟實(shí)際墳張拉悉過(guò)程誰(shuí)，對(duì)慶結(jié)構(gòu)坡建立兔預(yù)應(yīng)竿力。仔設(shè)皺為貪預(yù)應(yīng)芬力張軟拉時(shí)種拱跨為中向兔上的涼反拱位，考破慮邊移界條殃件后裙位移啊函數(shù)課可設(shè)急為議。22將位抓移函斑數(shù)代堆入式(1鏈5)，采歌用伽禾遼金糊法求腸解可駕得索幸力增溝量與索拱反稀拱安的打關(guān)系釀為:為考杰慮固影決響后疤進(jìn)行燭數(shù)值定積分僑的修蜜正系萍數(shù)；性對(duì)拱洲矢跨重比分痰別為0.山05、0.流1、0.蹄15、0.死2、0.兔25、0.笑3時(shí)，劃值仔分別痰為0.態(tài)99擦8、0.發(fā)99聾0、0.獅97旅8、0.腫96煩3、0.框94見(jiàn)6、0.顫92避8。另什外，世根據(jù)麗所設(shè)愈定的屯反拱劉值還腹可求頂出預(yù)雜應(yīng)力古態(tài)拱譜的彎井矩：23主要中內(nèi)容一、迫拱形狀張弦壤拱結(jié)勢(shì)構(gòu)簡(jiǎn)源介二、件均布威荷載陸作用液下的塵求解三、勸預(yù)應(yīng)尾力張省拉過(guò)至程分素析四、擺反對(duì)戴稱荷掉載作篩用下糖的求予解五、眨算例辭與有革限元聯(lián)的比框較六、捷拱形存張弦屬拱靜擇力特顧性七、放模型在試驗(yàn)犬簡(jiǎn)介八、訂結(jié)論24四、播反對(duì)潤(rùn)稱荷愚載作勁用下涼的求功解活荷舟載的蔬不均賭勻分吳布將譜對(duì)拱紫形張穴弦拱泄結(jié)構(gòu)殺的內(nèi)灰力和團(tuán)變形臥產(chǎn)生司一定評(píng)的影育響，粘設(shè)反拐對(duì)稱慕荷載硬的形腰式為開(kāi)：將此爹荷載礎(chǔ)用傅陰立葉幅級(jí)數(shù)鋪展開(kāi)業(yè)：25考慮接邊界俘條件榮：蹲及凍，各故可價(jià)設(shè)位砍移函贊數(shù)為翁（填僅考愿慮一土項(xiàng)）語(yǔ)代入極式(6志)、(7薯)可知環(huán)在反街對(duì)稱紙荷載梅下索毯力增感量處為零濾，則澆式(3擴(kuò))變?yōu)檎x：進(jìn)一磁步，隔將位指移函懸數(shù)代青入式(2看0)，并粥采用錄伽遼古金法堵求解皆，則病結(jié)構(gòu)這位移務(wù)函數(shù)壯為：26主要紐奉內(nèi)容一、藍(lán)拱形干張弦盟拱結(jié)我構(gòu)簡(jiǎn)護(hù)介二、墊均布你荷載皆作用進(jìn)下的錯(cuò)求解三、腦預(yù)應(yīng)偉力張旁拉過(guò)志程分熟析四、警反對(duì)紀(jì)稱荷貞載作唱用下房誠(chéng)的求屈解五、精算例捆與有螞限元升的比飼較六、滾拱形臭張弦砍拱靜構(gòu)力特?fù)P性七、藝模型厘試驗(yàn)患簡(jiǎn)介八、監(jiān)結(jié)論27五、述算例訪與有遙限元功的比爪較為驗(yàn)遵證以炸上計(jì)貴算公嗓式的癥可靠扁性，結(jié)設(shè)計(jì)槽了有捏限元臺(tái)計(jì)算洋模型韻（準(zhǔn)腳備用味于進(jìn)版一步溜模型泄試驗(yàn)說(shuō)）。泊拱矢那跨比緣瑞變化噴范圍技為0.梁2~0.久3，結(jié)仇構(gòu)高乎跨比補(bǔ)變化籌范圍累為1/榮8~1/披12。設(shè)口計(jì)參晶數(shù)如藥下：均布厚荷載荒標(biāo)準(zhǔn)喉值為奪設(shè)榴計(jì)值礦為廢，有摘限元腳分析價(jià)中考逗慮了磨幾何夸非線棍性，間下表1、表2為理猴論計(jì)籍算值搭與有腰限元研的比面較。28表1均布誦荷載沉下理搞論計(jì)沙算值蒙與非眼線性載有限房誠(chéng)元的數(shù)比較29續(xù)表1均布叼荷載躍下理網(wǎng)論計(jì)夕算值薦與非梯線性長(zhǎng)有限予元的成比較30續(xù)表1均布鴨荷載府下理蠟論計(jì)屯算值延與非從線性穴有限會(huì)元的叢比較31表2預(yù)應(yīng)傻力張涂拉過(guò)西程中深理論覺(jué)計(jì)算脖值與誕非線惡性有轟限元圈的比短較32續(xù)表2預(yù)應(yīng)預(yù)力張傍拉過(guò)定程中恩理論澤計(jì)算助值與寧非線舉性有清限元恢的比訓(xùn)較33從表1可看爽出，偵除拱蛇跨中巧彎矩禽外，諸理論弦計(jì)算選值與便有限極元計(jì)傻算吻科合很指好；鄰拱彎隨矩差隊(duì)別的寇主要桶原因難是假孝設(shè)的束位移場(chǎng)函數(shù)拜與實(shí)算際變睬形曲只線并橫非完紀(jì)全一年致，右且彎致矩是伶撓度捧函數(shù)短的二悼階導(dǎo)史，使躍得彎謎矩值引精度臭稍差紹。表2的結(jié)倚果則凡表明閉除拱方跨中塊彎矩恥外，悄理論疑計(jì)算術(shù)的索襖力具衡有較回好的際精度墻，彎快矩值輸差別夏的主埋要原但因同田上。34反對(duì)并稱荷桐載作票用時(shí)歇，對(duì)晨理論痰計(jì)算蜜值與柿非線尋性有筋限元蛇計(jì)算唯結(jié)果兵進(jìn)行益對(duì)比創(chuàng)，反酷對(duì)稱類荷載芹為尤。作計(jì)算角結(jié)果采表明劑，反極對(duì)稱淘荷載砌作用甘下拱慌形張祝弦拱依結(jié)構(gòu)剝的撓革度與指索的紅負(fù)垂轎跨比球的變啦化沒(méi)渠有關(guān)效系，祥當(dāng)拱休矢跨桿比分備別為1/盯5、1/壓4、3/斷10時(shí)，監(jiān)結(jié)構(gòu)1/勻4跨處乓的撓禾度分儀別為9.系20名mm、9.帖56鹽mm、10固mm，與弓理論居公式矮計(jì)算訊值8.徒83析mm、8.魚99錯(cuò)mm、9.叫16摟mm基本石一致教。35主要棵內(nèi)容一、側(cè)拱形堤張弦清拱結(jié)板構(gòu)簡(jiǎn)宮介二、拳均布便荷載瓣作用堪下的殊求解三、判預(yù)應(yīng)塵力張?zhí)侠^(guò)炕程分妖析四、豈反對(duì)鋪稱荷印載作肚用下韻的求腦解五、膊算例協(xié)與有蔑限元酷的比證較六、嬸拱形豆張弦辰拱靜欠力特疲性七、哭模型深試驗(yàn)舅簡(jiǎn)介八、膀結(jié)論36六、木拱形睛張弦杯拱靜扛力特筐性6.桂1結(jié)構(gòu)尖的線鉆性特鏟性從其劈燕整體蠻平衡扮微分羨方程冬來(lái)看焰，平廳衡方司程中漫無(wú)初孟始內(nèi)遷力項(xiàng)要，即苗結(jié)構(gòu)菠表現(xiàn)充出線銹性特虎性。倉(cāng)結(jié)構(gòu)憲初始貓預(yù)應(yīng)帆力大斬小與垮結(jié)構(gòu)水剛度救無(wú)關(guān)桌，因聰此設(shè)取計(jì)拱損形張裁弦拱糾結(jié)構(gòu)代時(shí)不株能采億用提藥高結(jié)黑構(gòu)預(yù)蜘應(yīng)力聯(lián)的辦笑法來(lái)售提高微結(jié)構(gòu)旅的剛春度。376.準(zhǔn)2拱形禁張弦沈拱結(jié)中構(gòu)跨卡中撓筒度簡(jiǎn)柄化計(jì)哈算均布視荷載細(xì)作用蔑下拱線對(duì)撓嚴(yán)度的奧貢獻(xiàn)扣主要院是軸棟向剛犧度，片抗彎專剛度商的貢般獻(xiàn)只襯有軸柴向剛蓬度的1%~10撥%。若貴忽略緞拱的鐮彎曲傾剛度暗貢獻(xiàn)為，則秧對(duì)公戴式(1漿1)進(jìn)一獎(jiǎng)步簡(jiǎn)筆化后賄可得好拱形帆張弦吐拱結(jié)熊構(gòu)的時(shí)跨中掌撓度襖簡(jiǎn)化殘公式兩為：敞。爽該式物可用廊于該撥結(jié)構(gòu)務(wù)跨中壞撓度村的估循算，錘并根睡據(jù)拱冠矢跨曠比大駐小適訊當(dāng)放竄大。386.衣3拱形蹲張弦哲拱結(jié)乞構(gòu)對(duì)垂拱的擔(dān)抗彎粘剛度賄要求從式(1弦6)可知無(wú)，為寶了避格免結(jié)府構(gòu)在玻張拉蜻過(guò)程房誠(chéng)中的拜反拱潑過(guò)大蘇，不映宜使哭拱自聽(tīng)身的竊抗彎竄剛度擴(kuò)過(guò)小奴。以此她同時(shí)婚，由始式(2伍0)知在帖反對(duì)爬稱荷術(shù)載作鎖用下絕，下饒弦索綁不參擠與工素作,式(2鍵1)則表?yè)?jù)明結(jié)治構(gòu)撓子度僅綢與拱妙的抗涂彎剛土度相洪關(guān)，域與索席的作你用無(wú)店關(guān)。批因此咳，工道程應(yīng)鼠用時(shí)糕拱的涌彎曲換剛度厲不能花太小廳，否遇則對(duì)總結(jié)構(gòu)脹整體脖受力右極為洲不利悲，所劉以實(shí)芒際工橋程中刃應(yīng)驗(yàn)砍算拱行形張巡壽弦拱柱結(jié)構(gòu)皺在非訊均布挨荷載拜下的敢變形魂。396.傷4拱形就張弦竟拱結(jié)份構(gòu)的染支座香水平糕位移觀察汪公式(1愈2)可發(fā)楊現(xiàn)，印對(duì)拱爆形張律弦拱僅結(jié)構(gòu)咬而言晨，其嘆支座講水平驅(qū)位移稿總是絮向外周的。聾對(duì)于跪常用厚幾何傅條件擦下的博拱形案張弦冠拱結(jié)生構(gòu)，盜如拱參矢跨扒比為0.因2,索負(fù)燦垂跨芳比為-0押.1，拱灶截面缸面積吧為索年的4倍，聚并假更定拱撐與索恩的彈剃性模賀量相雹等，而則支崇座水程平位新移與壁跨中鋒撓度暖的關(guān)施系為率：上式鉆表明熔，在井拱、嗓索的涉常用競(jìng)矢（充垂）結(jié)跨比漠下，旬支座奴水平叛位移早與跨稻中撓冶度相惰當(dāng)，險(xiǎn)這與梳傳統(tǒng)豪張弦便拱結(jié)思構(gòu)有騰很大臉不同姻。因釋此，份在實(shí)封際工掙程中西應(yīng)予甘以足恩夠重燥視。40主要貼內(nèi)容一、他拱形方張弦統(tǒng)拱結(jié)丘構(gòu)簡(jiǎn)只介二、伍均布和荷載渴作用省下的市求解三、賴預(yù)應(yīng)歸力張歌拉過(guò)底程分頓析四、厚反對(duì)濁稱荷敘載作獻(xiàn)用下箏的求召解五、疊算例匙與有煤限元舞的比悟較六、堵拱形蚊張弦趕拱靜產(chǎn)力特贊性七、伐模型到試驗(yàn)花簡(jiǎn)介八、繞結(jié)論41七、辣模型標(biāo)試驗(yàn)數(shù)簡(jiǎn)介7.萄1試驗(yàn)脫目的通過(guò)那模型密試驗(yàn)它對(duì)有吵限元夕計(jì)算俗結(jié)果單及理光論公餡式進(jìn)訪行補(bǔ)晚充校榆核，孫并對(duì)廢計(jì)算殼中的賓某些禁假設(shè)盾以及然計(jì)算節(jié)所得列到的軋結(jié)論到進(jìn)行領(lǐng)驗(yàn)證大。427.鳥(niǎo)2試驗(yàn)奪設(shè)計(jì)采用乞第五餐節(jié)設(shè)觀計(jì)的殲?zāi)Ｐ颓蛇M(jìn)行板了模光型試距驗(yàn)，認(rèn)用于焰模型進(jìn)試驗(yàn)況的所揭有構(gòu)手件的店材料鏡性能境指標(biāo)弦均采勻用實(shí)測(cè)鑒數(shù)據(jù)進(jìn)行脫相應(yīng)煙計(jì)算乒分析中，為嚷防止盈模型局在加饅載過(guò)克程中赤因各躁種不楚可控池因素呼導(dǎo)致敏過(guò)大夏的側(cè)鈴向、魂扭轉(zhuǎn)勵(lì)變形巴，在婚接近攝模型1/慶4、3/俗4跨位狗置各針設(shè)置壓一道餐平面疑外支蹦撐。無(wú)模型趴的加開(kāi)載情船況及吃節(jié)點(diǎn)螺細(xì)部靜設(shè)計(jì)之如圖7~圖11所示花。43圖7全跨勇均布妥荷載緩作用膀下現(xiàn)街場(chǎng)試窩驗(yàn)44圖8中部裕拉桿段與上盯弦拱羞連接顯構(gòu)造45圖9中部索拉桿抵與下售弦索戴連接圍構(gòu)造46圖10拱型得張弦悠拱模柴型的針端部德構(gòu)造47圖11拱型冠張弦報(bào)拱的溫平面思外支逃撐487.工3試驗(yàn)支結(jié)果墓與有針限元團(tuán)、理坊論公蔑式比寒較目前院已完夠成第功一組誘試驗(yàn)沖，試擋驗(yàn)結(jié)夏果與米有限策元及泄理論穩(wěn)公式蟲比較著見(jiàn)表3，表3結(jié)果艱表明拔除彎青矩外杯誤差捧均在5%之內(nèi)孫，后自續(xù)將脖繼續(xù)凈進(jìn)行她后五宇組試索驗(yàn)以監(jiān)進(jìn)一宰步驗(yàn)匠證理兆論公懷式及廈有限漿元計(jì)藍(lán)算結(jié)洞果，飯更好排的為束拱形兄張弦繭拱的粉工程姥應(yīng)用憐提供汪理論尚與試刺驗(yàn)依隔據(jù)。49表3均布哲荷載洞下試翠驗(yàn)值聯(lián)、理屈論計(jì)細(xì)算值浪與非飲線性幅有限溝元的羞比較50主要腿內(nèi)容一、掙拱形簡(jiǎn)張弦崖拱結(jié)襪構(gòu)簡(jiǎn)青