试析体内张拉成形网格结构理论及试验研究

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1、北京工业大学博士学位论文体内张拉成形网格结构理论及试验研究姓名：王成申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：张毅刚20090301摘要摘要体内张拉成形网格结构新体系是在预应力拱架结构和预应力网格结构基础上发展的一种新型混合结构体系。本文基于新的成形理念，通过把结构端部两到三个网格做成刚臂，引入预应力拱架结构的成形方法，构造出了体内张拉成形空间网格结构形式，对该结构理论研究的基础，进行了试验研究，并与理论计算作了详细的对比分析。在此基础上并结合课题组已有成果，提出了体内张拉成形网格结构新体系，它包括平面结构一体内张拉成形屋架和空间结构—体内张拉成形空间网格结构。论文的主要

2、研究工作和相应研究成果如下：1)针对体内张拉成形空间网格结构实际发展需要，从工程应用的角度定义了该类结构的三种受力状态一零状态、初状态和荷载态，在此基础上提出了一种新的形态分析方法一几何位移迭代法，并就一个80米跨的体内张拉成形空间网格结构实例，对其找形过程特点做了细致的分析，结果表明几何位移迭代法找形精度高、找形速度快，非常适合于体内张拉成形空间网格结构形态研究，而且可以保持结构的完整性。在几何位移迭代法找形方法的基础上，提出了两种简易算法一刀向迭代算法和Z向迭代算法，其迭代计算简单、找形速度快，一般情况下完全可以满足实际施工要求，是体内张拉成形空间网格结构现场实际工程

3、形态研究及初步概念设计阶段的两种较为适宜和简便的找形方法。2)提出基本假定、选取理想单元，进而建立合理的结构计算分析模型，并通过一个lOOm跨体内张拉成形空间网格结构算例对比，利用ANSYS有限元程序详细分析了结构成形和受荷性能。在成形过程分析中综合考虑了几何非线性和材料非线性，进而得出了结构成形的一些主要特点。研究表明上弦是结构成形过程中的主要受力构件，产生较大弯曲变形，主要承受弯矩，另外承受少量轴力；刚臂应力应变很小，但刚体转动很大，对结构有一定的约束作用：腹杆内力很小，对结构成形过程影响较小。荷载作用下应力均匀合理，结构在全跨荷载作用下的位移大于半跨荷载作用下的位移

4、。3)参数影响分析对充分认识体内张拉成形空间网格结构的特点和提出合理结构设计思路具有重要意义。针对影响结构成形和承载的结构参数进行研究，总结出各设计参数对结构变形和内力的影响规律。结果表明：上弦截面、刚臂节间数和高跨比是影响结构成形及受荷状态的三个主要的参数，其他参数影响较小。体内张拉成形空间网格结构工作阶段的分析研究必须以成形阶段研究为基础，成形阶段的分析研究必须考虑结构工作状态，结构分析必须综合考虑两阶段的特点。北京工业大学工学博士论文4)作为一种新型的大跨空间结构形式，体内张拉成形空间网格结构施工成形过程研究特别是实用张拉成形方法的研究对于该结构的推广应用极为重要。

5、本文着眼于结构的实际应用，提出了两种张拉方案：整体分次和分批分次，并由张拉方式对结构位移及受力特点的影响出发，从多个角度对结构成形过程作了较为详尽的分析。与整体分次张拉方式相比，分批分次张拉方式下的上弦节点R向和Z向位移的滞后或超前效应影响不明显，所以当依据结构设计、安装进度或张拉设备数量限制等要求很难实现整体分次张拉方案时，分批分次张拉施工成形方案是一种较为理想的选择。从结构成形过程上弦弯矩值的大小来考虑，分批分次张拉方式替代整体分次张拉方式对张拉过程有_二些影响，但对结构张拉终态影响很小，但就结构上弦轴力而言，须全面的进行成形全过程研究。分批张拉替代整体张拉时，适当加

6、强的上弦环梁会在一定程度上减小分批张拉导致的不均匀性。5)垂跨比和矢跨比是体内张拉成形网格结构重要的外形参数，以垂跨比和矢跨比为设计参数，综合考虑结构内力多种性能，优化结构外形。体内张拉成形网格结构形状优化问题即垂跨比和矢跨比影响研究不同于普通结构，因为普通结构的垂跨比和矢跨比多是针对荷载态效果而言，而体内张拉成形网格结构则赋予了其全过程影响分析的含义，它既影响着结构成形性能，又通过预应力分布最终影响着结构受荷性能，同时又制约于结构成形受荷过程，是贯穿于结构全过程的重要因素。通过理论分析和试验验证详细的从不同角度研究了其影响特点，对结构性能做了深入的形状优化研究，并据此就

7、分析实例，提出了较为合理的矢跨比和垂跨比组合的结构外形。研究发现：与把“下弦张拉到水平’’作为结构成形的目标相比，将下弦张拉到有一定垂度，并与相应的上弦矢高配合，可能更为合理。关键词：网格结构；体内张拉成形；形态：成形方式；模型试验；ⅡABSTRACTABSTRACTInternalStretchFormingLatticeStructure(ISFL)isonekindofnewhybridstructuresystemwhichisbasedonSTI沁ssedARCHandpre—stressedlatticestmct