預應力空間網格結構的分析理論與優(yōu)化設計研究.pdf

1、預應力空間網格結構是將空間網格結構與現(xiàn)代預應力技術相結合的一種新結構形式。由于在空間網格結構施加預應力能夠改善結構的受力狀態(tài)，使結構產生反向變形，降低結構在使用荷載作用下的最大撓度，提高結構的剛度，因此預應力空間網格結構的在近些年得到了迅速的發(fā)展，并且隨著新的結構形式的不斷涌現(xiàn)，具有更為廣闊的應用前景。 本文針對武漢長江防洪模型試驗大廳工程的設計與施工過程中反映的問題，結合理論分析與典型工程實踐，對預應力空間網格結構的有限元理論

2、、預應力全過程分析、預應力施工控制以及優(yōu)化設計等方面進行了較系統(tǒng)的研究。 假定桿件初始彎曲為半波正弦曲線，推導了非線性桿單元的軸向表征剛度的表達式，得到初始彎曲對軸向剛度的影響系數(shù)。分析表明，桿件初始彎曲對軸向剛度的影響在桿單元受壓時比受拉時大得多；且桿件抗彎剛度越大，初始彎曲幅值越小，軸壓力越小，桿件單元長度越小，則初始彎曲的影響越小。因此，進行預應力空間網格結構設計時，在桿件截面積相同的情況下，如選擇抗彎剛度較大的桿件規(guī)格，

3、可提高結構抵抗桿件初始彎曲影響的能力。 依據(jù)經典的梁．柱理論，假定梁單元的初始彎曲為半波正弦曲線，推導了以經典穩(wěn)定函數(shù)表達的考慮桿件初始彎曲的梁單元切線剛度矩陣。對梁單元的坐標轉換矩陣進行了討論，對比了兩種常用的坐標轉換矩陣求法：歐拉角描述法和結點方向法，對其中一些可避免的近似處理進行了改進，從而在一定程度上提高了坐標轉換矩陣的求解精度。 以索的懸鏈線理論為基礎，在索單元的位移模式中考慮了索在自重作用下的垂度效應，通過更

4、新的Lagrange方法推導了索單元的切線剛度矩陣，并討論了索端力的計算與坐標轉換矩陣的求法。 初步研究了ANSYS中自定義單元的方法。分析了UPFS程序的編譯和調試步驟，討論了UPFS定義新單元的步驟和核心內容，并介紹了UPFS為創(chuàng)建新單元和方便用戶編程而提供的主要內嵌子程序。 研究了桿件初始彎曲對哈爾濱會展索拱結構和常州體育中心索承網殼結構的非線性靜力性能的影響。結果表明，隨著桿件初始彎曲的增加，全過程曲線的極限荷載

5、降低，極限位移也相應地減小，桿件最大應力和拉索最大應力也呈下降趨勢；極限荷載與初始彎曲V<,m0>/L之間基本呈線性關系。索拱結構的失穩(wěn)形式為極值點失穩(wěn)，但桿件初始彎曲對結構屈曲前的整體剛度影響很小，因而對結構屈曲前的性能影響很小，但是對結構屈曲后的性能影響較大；索承網殼結構的失穩(wěn)形式也為極值點失穩(wěn)，桿件初始彎曲對結構屈曲前和屈曲后的影響均較大；初始預應力取值的增加對結構的位移控制很有效，較大程度地減小了結構的位移，不過對結構的剛度影響

6、卻很??；不同初始預應力值下，極限荷載與桿件初始彎曲的關系曲線也基本平行，由此表明，初始預應力取值不會影響結構極限荷載與桿件初始彎曲之間的變化規(guī)律。 對索承網殼結構動力特性的研究表明，索承網殼結構的自振頻率比較密集；在進行結構的非線性動力分析時，應考慮結構的初始狀態(tài)(包括結構自重、屋面恒載)。討論了在非線性動力分析時考慮結構初始狀態(tài)的方法；比較了結構在無初始彎曲和初始彎曲V<,m0>/L為0.01兩種情況下的8度罕遇地震非線性時程

7、分析結果，表明無桿件初始彎曲與有桿件初始彎曲時的結構初始狀態(tài)存在差異，不過由于桿件軸力較小，因此初始彎曲的影響也較小，其最大位移響應、最大桿件軸應力響應以及最大拉索應力響應等最大誤差均不超過5％。對預應力的全過程設計和分析方法進行了研究。討論了預應力作用的模擬方法，明確了設計要求與張拉施工中的一些概念；以預應力空間網格結構的剛度法理論為基礎，建立了預應力空間網格結構的剛度法方程，分析了混合影響矩陣法、循環(huán)迭代逼近法和混合影響矩陣迭代法三

8、種求解方法，其中混合影響矩陣迭代法理論上最為完善，循環(huán)迭代逼近法則最為實用；以預應力空間網格結構的剛度法方程為基礎，對預應力施工階段的力學分析進行了研究，針對索分批張拉、給定單次目標索力的多次張拉和給定單次索張拉力的多次張拉等預應力施工過程，討論了索初始形變順序分析法和索張拉力順序分析逆迭代法等分析方法，較好地解決了預應力全過程分析的問題；采用本文的預應力全過程分析方法分析了長江防洪模型試驗大廳采用的拱支預應力網殼結構及深圳游泳跳水館斜

9、拉網格結構，確定了張拉控制力等施工過程數(shù)據(jù)，從而為實際工程的預應力張拉及施工過程檢測提供了重要依據(jù)。 探討了預應力施工控制的問題。針對設計要求分別為目標索力和目標位移的情況進行研究，建立了預應力施工控制的索力遞推系統(tǒng)、位移遞推系統(tǒng)以及索力．位移遞推系統(tǒng)，從理論上證明：在索相互影響滿足一定要求的情況下，無論實際索力或位移的初值如何，如果恒以目標要求為張拉施工方案進行循環(huán)張拉，則總能不斷逼近設計目標；分析表明，實際索力或位移逼近設計

10、目標的速度，受到三個因素的影響：索相互影響程度、索數(shù)目、循環(huán)補拉開始前實際索力或位移與設計目標的差值：提出了基于觀測值的預應力施工方案決策方法，較好地解決了預應力空間網格結構的預應力施工控制問題；采用基于觀測值的預應力施工方案決策方法對武漢長江防洪模型試驗大廳的吊桿施工過程進行了詳細分析，保證了該工程的預應力施工達到設計要求。 分析了現(xiàn)有預應力鋼結構優(yōu)化設計模型存在的問題，提出了考慮實施過程的優(yōu)化設計的概念：真正的單次預應力和多

11、次預應力鋼結構優(yōu)化設計均應考慮設計方案的實施過程；詳細討論了結構優(yōu)化設計目標即結構造價的內涵，探討了全過程造價的概念：完整的結構造價應該由結構設計方案造價D、結構使用期間的損失或維修費用期望值三和為將設計方案實施所必須付出的代價C構成，現(xiàn)階段D和C是全過程造價所能夠考慮的最大內涵；對比研究了單次預應力和多次預應力鋼結構的優(yōu)化設計模型和優(yōu)化設計方法，當考慮實施過程時，單次預應力和多次預應力鋼結構優(yōu)化設計本質上是統(tǒng)一的；進一步研究了預應力空