带滚动式张拉索节点的弦支穹顶结构体系研究

带滚动动式张张拉索索节点点的弦弦支穹穹顶结构体体系研研究天津大大学钢钢结构构研究究所Researchesonasuspen-domestructurewithslidingcable-strutjointinstalled导师师：：陈志志华(教授)博士生生：严仁仁章2014年7月20日汇报提提纲一、研研究背背景二、预预应力力钢结结构索索力测测试方方法研研究三、带带滚动动式张张拉索索节点点弦支支穹顶顶及单单层网网壳试试验研研究四、滚滚动式式张拉拉索节节点应应用于于椭球球形弦弦支穹穹顶的的形态态分析析五、预预应力力随机机误差差对弦弦支穹穹顶结结构的的影响响分析析结构优优点结构效效能高、施工方便推广应应用结构设设计理论、、施工工方法施工方方法寻求高高效施施工方方法：：张拉拉环索索工程问问题摩擦损损失，，影响响结构构整体体稳定定性解决措措施滚动式式张拉拉索节节点用用于弦弦支穹穹顶新结构构性能能研究究基于张张拉整整体思思想提提出的的弦支支穹顶顶结构构由上上部单单层网网壳和和下部部索撑撑体系系组成成。相相比单单层网网壳可可减小支支座反反力，提高结构的的稳定性性；相比比索穹穹顶，，上部部网壳壳具有有初始始刚度度，降低了施工难难度。弦支穹穹顶一、研究背景单层网网壳索杆体体系弦支穹穹顶工程名名称：：山东东茌平平县文文体中中心体体育馆馆结构形形式：：弦支穹穹顶叠叠合拱拱结构构网壳形形式：：K6+联方型型球面面网壳壳索撑体系系：共共设置置7圈索撑撑体体系系结构构跨跨度度：：直直径径108m边界界约约束束：：两两圈圈共共48个径向向释释放放支座座体育育馆馆实实景景图图试验验模模型型图工程程背背景景技术术路线线带滚滚动动式式张张拉拉索索节节点点的的弦支支穹顶顶结结构构体系系研究究滚动动式式张张拉拉索索节节点点弦支穹穹顶顶结结构构精细细化化数数值值模模拟拟试验验研究究索力力测测试试应用用推推广广结构构对对预预应应力力误误差差的的敏敏感感性性分分析析基于于环环索索内内力力相相等等的的找找形形分分析析带摩摩擦擦的的连连续续折折线线索索单单元元减小小摩擦擦改进进性性能能椭球球形形弦支支穹穹顶顶汇报报提提纲纲一、、研研究究背背景景二、、预预应应力力钢钢结结构构索索力力测测试试方方法法研研究究三、、带带滚滚动动式式张张拉拉索索节节点点弦弦支支穹穹顶顶及及单单层层网网壳壳试试验验研研究究四、、滚滚动动式式张张拉拉索索节节点点应应用用于于椭椭球球形形弦弦支支穹穹顶顶的的形形态态分分析析五、、预预应应力力随随机机误误差差对对弦弦支支穹穹顶顶结结构构的的影影响响分分析析二、、预应应力力钢钢结结构构索索力力测测试试方方法法研研究究索力力测测试试方方法法直接接法法间接法法千斤斤顶顶压压力力表表法法压力力传传感感器器法法量测测应应变变法法移除除锚锚固固法法磁通通量量法法振动动频率率法法振动动波波法法三点点弯弯曲曲法法静力力平平衡衡法法2.1基于于钢管管环环压压方式式连连接接拉拉索索的的索索力力测测试试方法法弦支支穹穹顶顶试验验要要求求工程程实践践经验验直接接法法概念念明明确确精度度较较高高优点点钢管管环压连连接接拉拉索索的索力测试试方法借鉴压接锚具承受拉力3t左右构造示意意图试件实物物图试验研究究试件1端拉力(kN)应变(με)计算拉力(kN)1号应变2号应变3号应变4号应变0767702777863723.44151143991256.362081941311758.7将拉索内力力传递到到测力装装置上测定索力的方式可行行钢管环压时仅能传传递较小拉力力试验仪器器：30t拉力机、、电阻应应变仪试件2测得应变与拉拉力呈线线性关系2.2基于夹片锚具具连接拉索索的索力力测试方方法有限元模模拟装置的两锚环环之间的L2取为100mm时能满足足精度要要求试验研究究试件3试件4试验仪器器：20kN万能试验验材性试验验：E=237GPa锚环之间净距L2在100mm时，已能保证钢板板中间截面面内的应力分布布均匀；拉力大于1kN时，相对对误差较小，误差分析析表明相对误差差在10%以内的保保证率为为95.4%；采用该装置测测定拉索索内力时时，只需需分别在在上下2块钢板的的中间位置置沿轴向布置应变变片即可精确确地测得得拉索内内力。试验结果果汇报提纲纲一、研究究背景二、预应应力钢结结构索力力测试方方法研究究三、带滚滚动式张张拉索节节点弦支支穹顶及及单层网网壳试验验研究四、滚动动式张拉拉索节点点应用于于椭球形形弦支穹穹顶的形形态分析析五、预应应力随机机误差对对弦支穹穹顶结构构的影响响分析试验名称模型尺寸/m完成单位日本模型试验3日本法政大学光丘穹顶实物加载试验35日本法政大学天保中心屋盖1：10缩尺模型试验3天津大学天津自然博物馆实物加载试验18.5天津大学奥运会羽毛球馆1：10缩尺模型试验9.3北京工业大学常州体育馆1：10缩尺模型试验12×8北京建筑工程研究院常州体育馆缩尺模型试验12×8东南大学椭圆平面弦支穹顶结构模型试验6.7×5.1北京建筑工程研究院济南奥体中心8：122缩尺模型试验8浙江大学大连体育馆弦支穹顶结构张拉成形及静载试验研究14.5×11.6哈尔滨工业大学国内外对对单层网网壳和弦弦支穹顶单独独研究均较较多，但两者的对比分分析多停停留在数数值分析析的层次次，仅日本川口卫采用用两个相相同的弦弦支穹顶和相相应的单层球球面网壳进行了对比研研究。三、弦支穹顶顶与相应应单层网网壳的静静力性能能对比试试验研究究以山东茌平平体育馆馆为背景单层网壳壳试验性能对比比弦支穹顶顶试验以山东茌茌平体育育馆弦支支穹顶实实际工程程为背景景，开展展单层网壳壳静力性性能试验验和弦支穹顶顶的张拉拉、静力力性能试试验，对比分分析两种种结构的的力学性性能。工程背景景3.1K6型单层网网壳结构构的计算算理论基于网壳壳内的薄薄膜力机机制，提提出一种种杆件内内力计算算法：截面法计算步骤骤：确定结构构的几何参数数；在求解点点处环向剖切切网壳；将相邻下下一圈斜杆视为上部部网壳弹簧支座座并求解刚度度；利用外荷荷载与结结构内力力的平衡衡关系求求解出该该点的内内力。竖向荷载载作用下下网壳内内力流沿径向杆杆的力流流沿环向杆的内压外拉力流薄壳上任任一点在在面内的的内力分解沿径向的分力沿纬向的分分力3.2K6型单层网网壳结构构在球坐坐标系下下的有限限元计算算方法K6型单层球球面网壳壳的杆件布置置呈现出出非常强强的规律律性，在球坐标系系中可快快速求解解各个节节点的坐坐标，结构的的有限元元分析更更适合在在球坐标标系中进进行，基基于此推推导球坐标系系下的杆单元元刚度矩矩阵。3.3K6型单层网网壳结构构静力性性能试验验研究相似比设计参数名几何应力均布荷载杆件截面相似比1：101：12：11：50应变测点点：80个（考虑虑结构对对称性））位移测点点：15个应变测点点布置图图位移测点点布置图图脚手架布布置应变、位位移采集集系统全跨加载载半跨加载载杆件编号XB1-4XB1-5XB3-1XB5-1XB10-1XB12-1XB14-1XB16-1截面法-10.0-3.0-15.5-21.2-20.3-24.6-11.60有限元解-10.2-2.4-17.4-28.3-25.2-25.2-29.6-1.6试验值-22-2.9-33.1-48-51.2-21.6-56-4.8截面法与有限元法计算结果较为接近，但均比试验值值偏小；截面法与有限元结结果的相近性性验证了单层网网壳内的类似薄膜膜力的传力机制；计算值与试验验值之间间的差别由于于杆件受腐蚀后截面有有所减小小所致。。试验过程程试验结果果杆件应力力、节点点位移试验值与有限元理论值变化趋势势相同；由于锈蚀，杆件应应力、节节点位移移的试验值均大于理论论值；半跨荷载作用用下结构构的最大应力力大于全全跨荷载作用用下。全跨结果果半跨结果果斜向杆件件应力分分布图环向杆件件应力分分布图挠度分布布图斜向杆件件应力分分布图环向杆件件应力分分布图试验结果果试验结论论3.4弦支穹顶预预应力优优化分析析预应力设设计原则则拉索在任任意工况况下不松松弛；上部结构构受力最最优；支座水平平推力最最小。优化结果果建立结构的优优化数学学模型联合运用两种种优化方法会得出比较理想想的解；先采用零阶法或随随机搜索索在全局范范围内找找到一个个粗糙的的合理解；在前面分析析基础上上使用一一阶优化化方法局局部精确确寻优。。计算方法零阶零阶+一阶随机随机+一阶荷载工况重力+满跨集中荷载（100kg/节点）F7（N）5322131397300F6（N）108749941291773F5（N）105995966721604F4（N）2946172370791998F3（N）101092396127632473F2（N）54823435104435041F1（N）1975014230883211511Uz,max（mm）3.862.023.321.52σmax（MPa）80.843.693.544.83.5弦支穹顶顶结构构张拉拉试验验研究究节点位位移采采集系系统采采用先先进的的激光跟跟踪仪仪组成：激光光跟踪踪头（（跟踪踪仪））、控控制器器、计算算机、反射射器（（靶镜镜）等组组成特点：高精精度（（精度度达0.01mm）、高高效率率、实实时跟跟踪、、安装装快捷捷等原理：角度度测量量部分分（类类似于于经纬纬仪））、距距离测测量部部分、、激光光跟踪踪控制制部分分试验测测量索力测测量应变、、位移移测量量的测测点布布置与与采集集方式式与单单层网网壳试试验相相同试验测测量斜拉索索测点点环索测测点、、张拉拉点环索内内力测测量实实景图图张拉时由外外向内分2级张拉拉；张拉点点布置置，张张拉力力控制制值；；张拉时时保证证拧螺螺栓的的速度基本一致，保持持在5圈/30s。张拉力控制值级数第1圈第2圈第3圈第4圈第5圈第6圈第7圈第1级(N)495022201270945495370100第2级(N)1150050402470200016001770300张拉试试验最外圈环索对对结构构的影影响最显著著；最外圈圈环索的张拉，，使内圈索力增大，，且增大幅度由外向向内逐逐渐减减小；后一圈圈环索索的张拉使使外侧已已张拉拉环索索的内内力变变大，且相相邻圈圈影响响最大大；斜拉杆与与相应位置环环索内内力变化相相对应应，但斜拉杆中中的内内力分分布不不均；；张拉过程网网壳杆杆件应力均均较小小，起拱最最大区域位于第第1圈环索索上方区区域。上部网网壳杆件应应力变变化曲线图图斜拉杆杆内力变变化曲线竖向位移变变化曲线试验结结果试验结结论3.6弦支穹顶顶结构构静力力性能能试验验研究究加载点点：均匀选取上上部网网壳80个(全跨)/40个(半跨)加载点点加载方方式：：吊载载加载等等级：：5级加载载，0.2kN/点；3级卸载载，前2级每级卸0.4kN/点，第3级0.2kN/点张拉试试验结结束后后在滚滚动式式张拉拉索节节点的的两侧侧装置置索扣扣防止索索滑移移全跨加加载试试验半跨加加载试试验拉索与与滚动动式张张拉索索节点点间的的固定定全跨与半半跨试验验各项项力学响响应与与理论论分析的的变化规规律相似；结构在全/半跨荷载下下应力力与变变形均很小小，说说明结构有有足够强强度与刚度。全跨结结果半跨结结果斜向杆件件应力力分布布图环向杆件件应力力分布布图挠度分布图图斜向杆件件应力力分布布图环向杆件件应力力分布布图挠度分布图图试验结结果试验结结论3.7弦支穹顶顶与单单层网网壳静静力性性能对对比分分析在全跨荷荷载作作用下，单单层网网壳和和弦支支穹顶顶的斜向杆杆件均以受受压为为主，，且内力分布规规律相相似；环向杆杆件内力的变化规规律也也相似似，均表表现为为内圈圈受压压，靠靠近外外圈受受拉，，但弦支穹穹顶由于下部张张拉体体系的引入入，减小了了上部网网壳中中的杆杆件应力。在半跨荷荷载作作用下，两种结结构的斜向杆件件的最大大应力力均靠靠近跨中位位置，但弦弦支穹穹顶的的最大大应力力相比比单层层网壳壳减小小了52.9%；但是弦支穹穹顶由于下部张张拉体体系的的张拉拉在外外圈环环向杆杆件中中预先先产生生了较较大的的预压应应力，从而而使得得外圈圈环向向杆件件在荷荷载作作用下下实际受受力情情况为为受压压（单层层网壳壳受拉拉）。。两种结结构全跨荷载下下的挠度均大于半半跨下的，但弦支穹穹顶的最大大竖向向位移移相比比单层层网壳壳减小小了51.5%。弦支穹顶和单层网壳模型试验的加载制度、、加载载方式式和测测点布置相相同，，且两种结构的的单层层网壳壳为同同一模模型，，因此此具有有较强强的对对比性：汇报提提纲一、研研究背背景二、预预应力力钢结结构索索力测测试方方法研研究三、带带滚动动式张张拉索索节点点弦支支穹顶顶及单单层网网壳试试验研研究四、滚滚动式式张拉拉索节节点应应用于于椭球球形弦弦支穹穹顶的的形态态分析析五、预预应力力随机机误差差对弦弦支穹穹顶结结构的的影响响分析析肋环型型联方型型凯威特特型研究路路线索撑体体系超静定定次数数大于于环索索单元元数？？是可保证证同圈环环索内内力相相等滚动式式张拉拉索节节点否找形（改变变几何何形状状）初始平平衡态态分析析（平衡衡矩阵阵理论论）判断联方&凯威特特肋环型型四、滚滚动式式张拉拉索节节点应应用于于椭球球形弦弦支穹穹顶的的形态态分析析椭球形形索撑撑体系系布置置方案案肋环型型联方型型t={31.43F1+2.32,-43.33F1-2.66,-21.49F2-2.64,31.08F2+4.58,-21.49F2-2.64,-43.33F3-2.66,31.43F3+2.32,F1,F2,F3,1,1}T索撑体系超静定次数不小于于环索单元元数时能满足各段环环索索力相相等肋环型索撑体系超静定定次数1，仅存在一种预应力力模态，同圈环索力的比值由其其自应力模模态决定，，不可能相相等；联方型索撑体系的超静定次数数与环索单元数数相等，最终可行预应力由其预应力力模态矢量量线性组合合，通过合理的组合合保证各段索力相等等；凯威特型索撑体系系的超静定定次数大于于环索单元元数，与联联方型类似似，可通过过合理的组组合保证各各段环索索索力相等。。凯威特型初始平衡态态分析力密度法基本方程约束条件方方程扩展力密度度迭代求解其中：+找形分析扩展力密度度法在线性力密度度法的基础础上引入限限制条件，，由于限制制条件的引引入，原来来线性的问问题变成了了非线性问题题。找形目标：：环索内力相等，均等于预应力设计计值；各撑杆下节点位于同一设定标高上。找形过程：：给出一组力密密度初始值值q0；求解各杆件的内力力和支座反力并与限制条件进进行对比后后，对q进行调整；重新计算至至满足限制条条件。所有变量均均为q的函数找形前后坐标差节点编号123456789101112坐标差(mm)Δx0347422415.24223470-347-422-415.2-422-347Δy473317.5560-56-317.5-473-317.5-56056317.5Δz000000000000Δx=x改进-x传统；Δy=y改进-y传统；Δz=z改进-z传统经过少量的的迭代次数数即达到精精度要求；；找形得到的的撑杆下节节点与原型型同一标高高，不影响响建筑要求求。找形前找形后找形结果编号123456789101112改进型索力/N495050105080508050104950495050105080508050104950误差-1.0%0.2%1.6%1.6%0.2%-1.0%-1.0%0.2%1.6%1.6%0.2%-1.0%传统型索力/N550049204280428049205500550049204280428049205500误差10.0%-1.6%-14.4%-14.4%-1.6%10.0%10.0%-1.6%-14.4%-14.4%-1.6%10.0%改进型椭球弦支穹穹顶在荷载（2kN/m2+自重）作用下，结构的整体变形将致各段环索内力不等，但最大误差仅仅为1.6%，小于传统型的14.4%；通过考察索力分分布规律，，建议张拉时宜在长长轴方向的下方方设置张拉拉点，利用索撑撑节点处的的摩擦损失来来实现短轴下方的索段内力力偏小的规规律。传统型Wmax=1.1mm；σmax=21.4N/mm2改进型Wmax=1.1mm；σmax=21.4N/mm2a=5mb=3.75mf=1.5mΦ89×4.5Φ60×4.5Φ50,ΦΦ30结构整体性能分析汇报提纲一、研究背背景二、预应力力钢结构索索力测试方方法研究三、带滚动