體內預應力鋼屋架的受力機理及試驗研究.pdf

1、預應力拱架結構是20世紀80年代末，澳大利亞科研人員研發(fā)的一種新型大跨度結構一STRARCH。它通過張拉穿入拱結構下弦中的索使結構支座產生大位移，從而對結構施加預應力。在此過程中結構上弦通常進入塑性工作狀態(tài)，大大地提高了結構剛度和使用跨度。預應力拱架結構一經產生立刻引起了各國工程界的關注。近兩年來，我們課題組對其成形機理和受力特性進行了研究。研究過程中發(fā)現預應力拱架結構的關鍵技術在于通過幾何大變形成形，這一特殊構造，使結構具有了區(qū)別于同

2、類其它結構的優(yōu)越性。在此研究基礎上，本文提出了“體內預應力鋼屋架結構”，將此成形技術引入屋架結構中，大大提高了屋架的工作效率、提高了屋架的剛度和受力性能，擴大了屋架的使用空間和范圍，是一種應用前景非常好的結構形式。與預應力拱架結構相比，體內預應力鋼屋架結構的優(yōu)點在于直線拉索比預應力拱架的折線拉索具有更低的索力值，因而保持預應力拱架結構優(yōu)點的同時預應力效率更高。 本文的研究工作主要包括兩項內容： 1．對具有幾何大變形的預應

3、力結構進行了整體受力特性分析和結構找形研究； 2．對體內預應力鋼屋架結構進行了參數分析研究、考慮索與下弦之間接觸的成形過程分析、受力性能研究、自振特性研究，并做了靜載試驗對其成形過程和受力過程的理論分析進行了驗證。主要成果如下： 1)對于施工過程中具有幾何大變形的預應力結構，在設計時首先面對的問題就是結構幾何形態(tài)確定問題。本文提出了一種簡單、實用的找形方法，它精度高，能夠快速由藍圖幾何找到零狀態(tài)幾何，再由零狀態(tài)幾何找到結

4、構的初始狀態(tài)，方法簡單，概念清楚，容易被工程設計人員掌握。運用本找形方法，在結構各參數不變的情況下存在唯一的結構初始態(tài)預應力分布。 2)對于體內預應力鋼屋架結構，其成形過程中的有限元分析是一個復雜的高度非線性的問題。它囊括了幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。本文對三種非線性問題的基本理論進行了討論，特別針對成形過程中索與下弦的接觸特點進行討論，確定了本文有限元計算方法。接觸分析中重點考察了結構成形過程中索與下弦之間的接觸表現、

5、結構的變形特性、內力分布規(guī)律、以及成形過程下弦縫隙閉合規(guī)律，并通過模型試驗驗證了理論分析的正確性。比較了接觸算法與目前設計計算中常用溫度算法的內力大小和分布情況，得到兩種算法之間的差異，提出了設計建議。本文首次將接觸算法引入大變形結構計算中，為目前結構設計方法提出一條新思路和可能性，極具理論意義和應用價值。 3)對體內預應力鋼屋架進行參數分析。研究了成形前結構各獨立參數變化對成形后結構的幾何形狀、預應力狀態(tài)及穩(wěn)定承載能力的影響。

6、提出了體內預應力鋼屋架結構的初步設計框架，根據參數特點將其分為預估參數、成形設計參數和承載設計參數，并在不同階段確定。文中給出關鍵參數取值范圍或擬合經驗公式。 4)對預應力拱形結構進行整體受力分析，結果表明體內預應力鋼屋架結構和預應力拱架結構雖然構造相似，但是兩種受力性能完全不同的結構體系。由于受力性質不同，所以施加預應力的目的也不同。從整體受力角度上講，體內預應力鋼屋架結構施加預應力的方案是非常優(yōu)越、有效的。對體內預應力鋼屋架