預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的分析理論與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是將空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合的一種新結(jié)構(gòu)形式。由于在空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力能夠改善結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反向變形，降低結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下的最大撓度，提高結(jié)構(gòu)的剛度，因此預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的在近些年得到了迅速的發(fā)展，并且隨著新的結(jié)構(gòu)形式的不斷涌現(xiàn)，具有更為廣闊的應(yīng)用前景。 本文針對武漢長江防洪模型試驗(yàn)大廳工程的設(shè)計(jì)與施工過程中反映的問題，結(jié)合理論分析與典型工程實(shí)踐，對預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的有限元理論

2、、預(yù)應(yīng)力全過程分析、預(yù)應(yīng)力施工控制以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。 假定桿件初始彎曲為半波正弦曲線，推導(dǎo)了非線性桿單元的軸向表征剛度的表達(dá)式，得到初始彎曲對軸向剛度的影響系數(shù)。分析表明，桿件初始彎曲對軸向剛度的影響在桿單元受壓時(shí)比受拉時(shí)大得多；且桿件抗彎剛度越大，初始彎曲幅值越小，軸壓力越小，桿件單元長度越小，則初始彎曲的影響越小。因此，進(jìn)行預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在桿件截面積相同的情況下，如選擇抗彎剛度較大的桿件規(guī)格，

3、可提高結(jié)構(gòu)抵抗桿件初始彎曲影響的能力。 依據(jù)經(jīng)典的梁．柱理論，假定梁單元的初始彎曲為半波正弦曲線，推導(dǎo)了以經(jīng)典穩(wěn)定函數(shù)表達(dá)的考慮桿件初始彎曲的梁單元切線剛度矩陣。對梁單元的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣進(jìn)行了討論，對比了兩種常用的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣求法：歐拉角描述法和結(jié)點(diǎn)方向法，對其中一些可避免的近似處理進(jìn)行了改進(jìn)，從而在一定程度上提高了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的求解精度。 以索的懸鏈線理論為基礎(chǔ)，在索單元的位移模式中考慮了索在自重作用下的垂度效應(yīng)，通過更

4、新的Lagrange方法推導(dǎo)了索單元的切線剛度矩陣，并討論了索端力的計(jì)算與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的求法。 初步研究了ANSYS中自定義單元的方法。分析了UPFS程序的編譯和調(diào)試步驟，討論了UPFS定義新單元的步驟和核心內(nèi)容，并介紹了UPFS為創(chuàng)建新單元和方便用戶編程而提供的主要內(nèi)嵌子程序。 研究了桿件初始彎曲對哈爾濱會(huì)展索拱結(jié)構(gòu)和常州體育中心索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的非線性靜力性能的影響。結(jié)果表明，隨著桿件初始彎曲的增加，全過程曲線的極限荷載

5、降低，極限位移也相應(yīng)地減小，桿件最大應(yīng)力和拉索最大應(yīng)力也呈下降趨勢；極限荷載與初始彎曲V<,m0>/L之間基本呈線性關(guān)系。索拱結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式為極值點(diǎn)失穩(wěn)，但桿件初始彎曲對結(jié)構(gòu)屈曲前的整體剛度影響很小，因而對結(jié)構(gòu)屈曲前的性能影響很小，但是對結(jié)構(gòu)屈曲后的性能影響較大；索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式也為極值點(diǎn)失穩(wěn)，桿件初始彎曲對結(jié)構(gòu)屈曲前和屈曲后的影響均較大；初始預(yù)應(yīng)力取值的增加對結(jié)構(gòu)的位移控制很有效，較大程度地減小了結(jié)構(gòu)的位移，不過對結(jié)構(gòu)的剛度影響

6、卻很??；不同初始預(yù)應(yīng)力值下，極限荷載與桿件初始彎曲的關(guān)系曲線也基本平行，由此表明，初始預(yù)應(yīng)力取值不會(huì)影響結(jié)構(gòu)極限荷載與桿件初始彎曲之間的變化規(guī)律。 對索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的研究表明，索承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的自振頻率比較密集；在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力分析時(shí)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)(包括結(jié)構(gòu)自重、屋面恒載)。討論了在非線性動(dòng)力分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的方法；比較了結(jié)構(gòu)在無初始彎曲和初始彎曲V<,m0>/L為0.01兩種情況下的8度罕遇地震非線性時(shí)程

7、分析結(jié)果，表明無桿件初始彎曲與有桿件初始彎曲時(shí)的結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)存在差異，不過由于桿件軸力較小，因此初始彎曲的影響也較小，其最大位移響應(yīng)、最大桿件軸應(yīng)力響應(yīng)以及最大拉索應(yīng)力響應(yīng)等最大誤差均不超過5％。對預(yù)應(yīng)力的全過程設(shè)計(jì)和分析方法進(jìn)行了研究。討論了預(yù)應(yīng)力作用的模擬方法，明確了設(shè)計(jì)要求與張拉施工中的一些概念；以預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度法理論為基礎(chǔ)，建立了預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度法方程，分析了混合影響矩陣法、循環(huán)迭代逼近法和混合影響矩陣迭代法三

8、種求解方法，其中混合影響矩陣迭代法理論上最為完善，循環(huán)迭代逼近法則最為實(shí)用；以預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度法方程為基礎(chǔ)，對預(yù)應(yīng)力施工階段的力學(xué)分析進(jìn)行了研究，針對索分批張拉、給定單次目標(biāo)索力的多次張拉和給定單次索張拉力的多次張拉等預(yù)應(yīng)力施工過程，討論了索初始形變順序分析法和索張拉力順序分析逆迭代法等分析方法，較好地解決了預(yù)應(yīng)力全過程分析的問題；采用本文的預(yù)應(yīng)力全過程分析方法分析了長江防洪模型試驗(yàn)大廳采用的拱支預(yù)應(yīng)力網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)及深圳游泳跳水館斜

9、拉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，確定了張拉控制力等施工過程數(shù)據(jù)，從而為實(shí)際工程的預(yù)應(yīng)力張拉及施工過程檢測提供了重要依據(jù)。 探討了預(yù)應(yīng)力施工控制的問題。針對設(shè)計(jì)要求分別為目標(biāo)索力和目標(biāo)位移的情況進(jìn)行研究，建立了預(yù)應(yīng)力施工控制的索力遞推系統(tǒng)、位移遞推系統(tǒng)以及索力．位移遞推系統(tǒng)，從理論上證明：在索相互影響滿足一定要求的情況下，無論實(shí)際索力或位移的初值如何，如果恒以目標(biāo)要求為張拉施工方案進(jìn)行循環(huán)張拉，則總能不斷逼近設(shè)計(jì)目標(biāo)；分析表明，實(shí)際索力或位移逼近設(shè)計(jì)

10、目標(biāo)的速度，受到三個(gè)因素的影響：索相互影響程度、索數(shù)目、循環(huán)補(bǔ)拉開始前實(shí)際索力或位移與設(shè)計(jì)目標(biāo)的差值：提出了基于觀測值的預(yù)應(yīng)力施工方案決策方法，較好地解決了預(yù)應(yīng)力空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力施工控制問題；采用基于觀測值的預(yù)應(yīng)力施工方案決策方法對武漢長江防洪模型試驗(yàn)大廳的吊桿施工過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，保證了該工程的預(yù)應(yīng)力施工達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 分析了現(xiàn)有預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型存在的問題，提出了考慮實(shí)施過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念：真正的單次預(yù)應(yīng)力和多

11、次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)均應(yīng)考慮設(shè)計(jì)方案的實(shí)施過程；詳細(xì)討論了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)即結(jié)構(gòu)造價(jià)的內(nèi)涵，探討了全過程造價(jià)的概念：完整的結(jié)構(gòu)造價(jià)應(yīng)該由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案造價(jià)D、結(jié)構(gòu)使用期間的損失或維修費(fèi)用期望值三和為將設(shè)計(jì)方案實(shí)施所必須付出的代價(jià)C構(gòu)成，現(xiàn)階段D和C是全過程造價(jià)所能夠考慮的最大內(nèi)涵；對比研究了單次預(yù)應(yīng)力和多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，當(dāng)考慮實(shí)施過程時(shí)，單次預(yù)應(yīng)力和多次預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是統(tǒng)一的；進(jìn)一步研究了預(yù)應(yīng)力空