滚动式张拉索节点弦支穹顶结构分析及试验研究

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1、￣￣？矣赛夫邊ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－臟代大学＞ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博±学位论文—ｎｍｍｉｉｉＭｕａｋ＾＾ｉｌ儀－±木工程：歷级学科指导教师；陈志华教授華天津大学研究生院２０巧年５月天津大学博士学位论文滚动式张拉索节点弦支穹顶结构分析及试验研究Structuralanalysisandexperimentalstudyonsuspen-domestructureswithslidingcable-strutjoints【申请博士学位】基金资助：国家自然科学基金项目(51478310)学

2、科专业：结构工程博士生：严仁章指导教师：陈志华教授天津大学建筑工程学院二零一五年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的，研巧成果，除了文中特别加标注和致谢之处外论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同志对本研巧所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。＾学位论文作者签名：仁签字日期：年；月日＾＾＾学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。Ｌ特授权天

3、津大学可：Ａ将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、，并采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编Ｗ供查阅和借阅。同意学校向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名；导师签名：ｉ争崎辦ｆ文衣立心＾巧年（签字日期：年月日签字日期；月／日７中文摘要弦支穹顶结构施工的关键环节在于将预应力设计值准确地施加到结构中去，工程中常采用张拉环索方式施加预应力。为减小索撑节点处的摩擦损失，可在撑杆下节点处运用滚动式张拉索节点。通过试验方法研究这种引入了滚动式张拉索节点的弦支穹顶结构的

4、力学性能，并定量对比分析弦支穹顶与上部单层网壳的静力性能，对评估滚动式张拉索节点弦支穹顶的高效能性具有重要意义。由于椭球形弦支穹顶自身的几何特征，张拉环索这一高效施工方式能否直接应用于椭球形弦支穹顶，直接影响了弦支穹顶的推广应用。滚动式张拉索节点的引入虽能有效减小摩擦损失，但既有研究表明其不能完全克服摩擦，因此在结构的有限元分析中如何在单元层面考虑拉索与撑杆下节点间的摩擦，以准确评估结构的整体性能。以及张拉过程中的预应力随机误差对结构整体性能的影响，都是弦支穹顶结构体系的理论研究过程中需要解决的问题。本文即针对这种采用了新型滚动式张拉索节点的弦支穹顶结构展开了

5、深入的研究。滚动式张拉索节点对结构性能改善程度的最直接衡量标准是检测出节点两侧索力值，以计算该节点处的预应力摩擦损失值。基于直接测量法提出了一种适用于弦支穹顶结构试验研究的索力测试方法，并通过试验研究、理论分析验证其可靠性及应用范围。提出了一种适用于张弦结构体系的等效摩擦单元，进而建立了张弦结构考虑拉索与撑杆下节点间摩擦的有限元分析方法，并通过试验研究验证了该摩擦单元的适用性。将等效摩擦单元应用到张弦桁架结构的有限元分析中，得到了预应力摩擦损失对张弦桁架结构整体性能的影响规律。分别开展了带滚动式张拉索节点的弦支穹顶结构和其上部单层网壳结构的理论分析和试验研究，

6、并对比分析了弦支穹顶和相应单层网壳的静力性能。基于单层网壳内的力流传递规律和杆件的空间位置关系，提出了一种杆件内力近似计算方法，推导了网壳在球坐标系下的有限元计算方法；建立茌平体育馆弦支穹顶的1：10缩尺模型，拉索张拉前开展了单层网壳的静力试验，得到了单层网壳在半跨和全跨荷载作用下的内力分布特征，同时验证了理论分析的正确性；开展了弦支穹顶的张拉试验和静力试验，采用高精度的激光跟踪仪全程跟踪测量关键测点位移，揭示了弦支穹顶张拉过程中的结构内力和变形变化规律，得到了弦支穹顶在全跨与半跨荷载作用下的内力分布特征。针对椭球形弦支穹顶结构同圈环索内力有可能不等，从而不能

7、采用张拉环索这一高效施工方式的情况，分析了3种常见椭球形弦支穹顶结构索撑体系的初始平衡态，得到了椭球形索撑体系同圈环索内力相等的必要条件；针对同圈环索内力不等的案例，采用扩展力密度法对索撑体系重新找形，得到了同圈环索内力相等时的形态；根据环索内力的分布规律提出了张拉环索时张拉点的合理布置建议。弦支穹顶结构的预应力误差不可必免地存在，基于概率统计原理，以一实际工程为背景，研究了弦支穹顶结构的各项力学性能对环索内力随机误差的敏感性，以及随机误差对各项力学性能的具体影响程度。明确了弦支穹顶结构最外圈环索在结构中的重要作用以及对结构的重要影响程度，提出了弦支穹顶预应力

8、施工过程中严格控制最外圈环索内力张拉精