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弦支结构体系研究

作　者: 乔文涛
导　师: 陈志华
学　校: 天津大学
专　业: 结构工程
关键词: 空间结构弦支结构弦支梁折叠展开弦支混凝土集成屋盖弦支筒壳
分类号: TU399
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

弦支结构体系作为一种高效能的空间结构,越来越多地被应用于大跨度建筑中。索穹顶、弦支穹顶和弦支梁是较为成熟的弦支结构,尤其以弦支梁和弦支穹顶应用最多。目前的空间结构向着轻量、超大跨方向发展,这种发展趋势要求必须竭尽全力地降低结构的自重,其途径一是研制出轻质高强的新型建筑材料,二是研究开发合理的结构形式。在此背景下,对弦支结构进行深入研究并开发出新型高效能的弦支结构是非常有意义的。本文首先对弦支梁(桁架)结构进行了研究,提出一种简单的、较容易被工程设计人员掌握的、适用于弦支梁(桁架)结构工程设计的预应力设计方法;首次采用频域法对弦支梁结构进行风振特性研究,为弦支梁结构的抗风设计提供理论依据;提出一种简单且成本较低的、适用于弦支梁结构的索力测量方法—静力平衡法;将“折叠开合”与“弦支结构”有机地组合,提出了折叠展开式弦支桁架,并详细介绍了其折叠展开原理、折叠单元形式、节点连接方式以及具体的实施方法。在弦支梁结构的启发下,提出一种新型的弦支结构,即弦支混凝土集成屋盖结构,详细介绍了其基本构成及实现方法,给出了其预应力设计方法,对它的基本静、动力学性能进行了研究,得到的一些初步研究成果可为这种新型弦支结构的工程设计提供理论依据。将弦支桁架进行拓展并与柱面网壳(即筒壳)相结合,提出另外一种新型弦支结构即弦支筒壳结构,给出了其预应力设计方法,以某实际弦支筒壳工程为背景,较为全面地对其静力特性、稳定特性、风振响应、地震波一致激励及多点激励下的响应进行了研究,为这种新型弦支结构的实际应用提供了理论依据。在此基础上,进行了1:15的缩尺模型静载荷试验研究,研究表明,弦支筒壳结构是一种刚度较好且有着一定几何非线性的空间结构,与单层筒壳相比,其面外稳定性得到大大改善,支座处产生的水平推力大幅度地减小。研究还表明,半跨雪荷载或半跨施工荷载会对结构产生不利影响,对此应在设计时给予考虑。试验结果与理论分析存在一定误差,但二者的变化规律基本保持一致,说明本文采用的弦支筒壳结构的理论计算方法是科学合理的,是可行的。试验最后还验证了索力测量的静力平衡法,研究结果表明,这种方法用于测算弦支筒壳结构下弦拉索的内力也是可行的。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章绪论  10-26
  1.1 弦支结构发展概况  10-23
    1.1.1 张拉整体结构  10-11
    1.1.2 索穹顶结构  11-15
    1.1.3 弦支穹顶结构  15-19
    1.1.4 弦支梁（桁架）结构  19-23
  1.2 选题的意义及主要内容  23-24
  1.3 研究方法和实施方案  24-26
第二章弦支梁（桁架）结构若干问题研究  26-43
  2.1 预应力设计  26-30
    2.1.1 设计原理  26-27
    2.1.2 有限元应用  27-28
    2.1.3 算例分析  28-30
  2.2 弦支梁结构风振特性研究  30-39
    2.2.1 风的基本特征  31
    2.2.2 时域分析法介绍  31-32
    2.2.3 频域分析法  32-39
  2.3 弦支梁索力测量的静力平衡法  39-41
    2.3.1 常用的索力测量方法  40
    2.3.2 静力平衡法  40-41
  2.4 本章小结  41-43
第三章折叠、开合体系及其在弦支结构中的应用  43-59
  3.1 开合屋盖建筑结构的发展  43-45
  3.2 常见折叠展开结构  45-48
    3.2.1 折叠网架  45-47
    3.2.2 折叠展开桁架  47
    3.2.3 折叠门  47-48
  3.3 型钢梁式折叠开合屋盖  48-54
  3.4 折叠开合体系在弦支桁架结构中的应用  54-57
  3.5 本章小结  57-59
第四章弦支混凝土集成屋盖结构研究  59-75
  4.1 弦支混凝土集成屋盖结构的构成及实现方法  60-62
  4.2 弦支混凝土集成屋盖结构的预应力设计  62-63
  4.3 预制钢筋混凝土板及其裂缝与强度控制  63-64
  4.4 弦支混凝土集成屋盖结构的自振特性  64-65
  4.5 参数变化对弦支混凝土集成屋盖结构静力学特性的影响  65-71
    4.5.1 垂跨比对结构静力学特性的影响  65-67
    4.5.2 板厚度对结构静力学特性的影响  67-68
    4.5.3 拉索截面对结构静力学特性的影响  68-70
    4.5.4 撑杆截面对结构静力学特性的影响  70-71
  4.6 参数变化对结构自振特性的影响  71-73
  4.7 本章小结  73-75
第五章弦支筒壳结构及其静力、稳定性能研究  75-98
  5.1 弦支筒壳结构体系的构成  75-77
  5.2 弦支筒壳的预应力设计  77-79
    5.2.1 设计原理  77-78
    5.2.2 算例分析  78-79
    5.2.3 弦支筒壳与普通筒壳的力学性能比较  79
  5.3 影响弦支筒壳力学性能的关键参数研究  79-85
    5.3.1 矢跨比对弦支筒壳结构力学性能的影响  80-81
    5.3.2 垂跨比对弦支筒壳结构力学性能的影响  81-83
    5.3.3 撑杆数对弦支筒壳结构静力特性的影响  83-85
  5.4 结构的稳定问题  85-87
    5.4.1 结构屈曲形式  85-86
    5.4.2 结构线性稳定性问题  86
    5.4.3 结构非线性稳定问题  86-87
    5.4.4 考虑初始缺陷的稳定性分析方法  87
  5.5 弦支筒壳结构的稳定特性  87-89
  5.6 影响弦支筒壳稳定性能的关键参数研究  89-96
    5.6.1 长跨比对弦支筒壳结构稳定性能的影响  90
    5.6.2 矢跨比对弦支筒壳结构稳定性能的影响  90-91
    5.6.3 垂跨比对弦支筒壳结构稳定性能的影响  91-92
    5.6.4 撑杆数对弦支筒壳结构稳定性能的影响  92-93
    5.6.5 初始缺陷对弦支筒壳结构稳定性能的影响  93-95
    5.6.6 半跨荷载对弦支筒壳结构稳定性能的影响  95-96
  5.7 本章小结  96-98
第六章弦支筒壳结构的动力性能研究  98-117
  6.1 弦支筒壳结构的风振特性研究  98-107
    6.1.1 风的特性及模拟理论  98-101
    6.1.2 算例分析  101-107
  6.2 弦支筒壳结构的地震响应分析  107-115
    6.2.1 计算理论  108-109
    6.2.2 算例分析  109-115
  6.3 本章小结  115-117
第七章弦支筒壳结构的试验研究  117-138
  7.1 试验内容及目的  117
  7.2 试验模型设计  117-119
  7.3 试验加载方案设计  119-121
    7.3.1 加载方式  119-120
    7.3.2 荷载步长  120-121
  7.4 测量系统及测点布置  121-123
    7.4.1 测量仪器  121
    7.4.2 测点布置  121-123
  7.5 数据采集  123
  7.6 试验结果研究  123-137
    7.6.1 筒壳杆件单元应力  124-129
    7.6.2 下弦拉索单元内力  129-131
    7.6.3 节点位移  131-136
    7.6.4 静力平衡法测索力  136-137
  7.7 本章小结  137-138
第八章结论与展望  138-141
  8.1 本文结论  138-140
  8.2 研究与展望  140-141
参考文献  141-150
发表论文和科研情况说明  150-152
致谢  152

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