张弦梁结构张拉过程结构性能和伺服施工过程理论

论文摘要

张弦梁结构是由刚性构件、索和撑杆组成,通过对索施加预拉力使三者形成整体的结构。由于结构自重相对较轻、体系的刚度、形状稳定性相对较大以及对建筑外形的广泛适用性,张弦梁结构已经广泛应用于大跨度空间结构。作为一种非刚性结构,张弦梁结构的几何形态和力学性能与施工过程密切相关,建造更为经济合理的张弦梁结构必须建立在对结构张拉过程的力学行为系统的认识上,必须依靠更科学合理的施工技术。 张弦梁结构张拉过程的结构性能和伺服施工过程是本文研究的两大主题。采用理论和试验相结合的方法,本文从张拉过程数值分析方法、张拉过程结构性能、张拉过程参数分析、伺服施工过程实现四个方面对两大主题展开系统的研究。 首先,根据张弦梁结构各构件的受力特点,选择C.Oran梁-柱单元模拟刚性构件和撑杆、悬链线单元模拟索、采用改变张拉索段原长法来模拟预拉力。在此基础上,编制了张弦梁结构非线性分析的算法并通过经典算例验证算法的精确性,该非线性算法是构成张拉过程数值分析算法的基本部分。 其次,通过总结十几个实际工程的张弦梁结构施工工艺,提炼张弦梁结构的施工参数:施工顺序、预拉力施加方式、临时支架系统、张拉次数。从张拉过程张弦梁结构受力机理入手,提出以控制点位移为张拉目标、考虑实际结构施工参数的张弦梁结构张拉全过程数值模拟算法。针对张弦梁结构找形分析的特点,指出张弦梁结构找形分析的本质:预拉力确定和施工放样几何确定;结合本文的非线性算法,提出适用于张弦梁结构找形分析的算法。 随后本文对张弦梁结构的张拉过程进行试验研究。基于正交试验设计思想,设计了12个考虑多参数影响的张弦梁模型试件并进行张拉试验。试验分析表明,张弦梁结构张拉过程的结构性能可以从结构变形、构件内力、结构位形和稳定性能进行描述:临界张拉力是张弦梁结构具备整体刚度即成形的标志,其值约为0.125/κ;当张拉力引起的变形较大时,张拉力与结构变形并非简单的线性关系;张拉过程张弦梁结构内力不同于使用阶段,设计中应考虑张拉过程结构的最不利受力;张拉过程结构的位形变化可以概况为“水平跨度缩小、整体上拱

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 张弦梁结构的应用
• 1.3 张弦梁结构的研究现状
• 1.3.1 张弦梁结构受力性能分析
• 1.3.2 张弦梁结构非线性分析理论
• 1.3.3 张弦梁结构施工技术探索
• 1.4 张弦梁结构受力性能分析和施工控制研究尚存问题
• 1.5 本文的研究工作
• 第2章 张弦梁结构的非线性分析理论
• 2.1 C. Oran梁-柱单元
• 2.1.1 随动坐标系下单元的切线刚度矩阵
• 2.1.2 局部坐标系下单元切线刚度矩阵
• 2.1.3 整体坐标系下单元的切线刚度矩阵
• 2.1.4 坐标转换矩阵计算
• 2.2 索的数值模拟
• 2.2.1 索段在自重作用下的解析解
• 2.2.2 局部坐标系下悬链线索单元的刚度矩阵
• 2.2.3 整体坐标系下悬链线索单元的刚度矩阵
• 2.2.4 悬链线索单元中预拉力的数值模拟
• 2.3 结构非线性静力分析算法
• 2.3.1 张弦梁结构的平衡方程及其求解
• 2.3.2 张弦梁结构非线性分析程序算法
• 2.3.3 算法验证
• 2.4 结语
• 第3章 张弦梁结构施工阶段分析理论
• 3.1 张弦梁结构的施工工艺
• 3.1.1 实际工程中张弦梁结构的施工工艺
• 3.1.2 张弦梁结构的施工参数
• 3.2 张弦梁结构施工阶段的分析内容
• 3.3 张弦梁结构张拉全过程数值模拟
• 3.3.1 张弦梁结构张拉过程的受力机理
• 3.3.2 张弦梁结构张拉全过程的数值模拟
• 3.3.3 张弦梁结构张拉全过程分析算法
• 3.3.4 程序验证
• 3.4 张弦梁结构的找形分析
• 3.4.1 预拉力的确定
• 3.4.2 初始内力分布和施工放样几何的确定
• 3.4.3 张弦梁结构找形分析算法
• 3.4.4 算例分析
• 3.5 结语
• 第4章 张弦梁结构张拉过程试验研究
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 试验模型参数及其取值的确定
• 4.1.2 试件设计
• 4.1.3 试验过程细节控制
• 4.1.4 张拉装置和加载装置设计
• 4.1.5 测点布置
• 4.2 试验实测结果
• 4.2.1 拱梁的实际几何位形测量
• 4.2.2 试验现象描述
• 4.2.3 试验现象总结
• 4.3 张弦梁结构张拉全过程力学性能分析
• 4.3.1 张拉过程结构的整体变形性能
• 4.3.2 张拉过程构件内力变化
• 4.3.3 张拉过程结构位形变化
• 4.3.4 张拉过程稳定性能
• 4.4 参数对张拉过程结构性能影响的显著性分析
• 4.4.1 正交试验结果分析
• 4.4.2 施工顺序的影响性分析
• 4.5 试验结果和数值分析结果比较
• 4.5.1 数值模型
• 4.5.2 试验结果和数值分析结果比较
• 4.5.3 试验误差分析
• 4.6 结语
• 第5章 张弦梁结构张拉过程的参数分析
• 5.1 参数选择和结构性能评价指标
• 5.1.1 参数选择
• 5.1.2 张拉过程结构性能衡量指标
• 5.2 张弦梁结构参数分析模型
• 5.3 张弦梁结构施工阶段的参数分析
• 5.3.1 截面特性参数对施工阶段结构受力性能的影响
• 5.3.2 几何形状参数对施工阶段结构受力性能的影响
• 5.3.3 施工参数对张拉阶段结构受力性能的影响
• 5.3.4 参数与结构性能的关系及其合理取值
• 5.4 张拉过程中张弦梁结构内力的简要计算
• 5.5 结语
• 第6章 张弦梁结构伺服施工过程研究
• 6.1 伺服施工概念
• 6.2 关键参数遴选和待识别参数确定
• 6.3 关键参数识别和分析模型修正
• 6.3.1 参数识别方法
• 6.3.2 BP神经网络
• 6.3.3 动态结构BP神经网络
• 6.3.4 张弦梁结构关键参数识别
• 6.3.5 张弦梁结构分析模型修正
• 6.4 施工控制
• 6.4.1 张拉目标修正
• 6.4.2 结构性态预测
• 6.4.3 参照张拉力计算
• 6.4.4 施工方案调整
• 6.5 伺服施工过程
• 6.4.1 伺服施工流程
• 6.5.1 伺服施工算例
• 6.6 结语
• 第7章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 张弦梁模型试验相关资料
• 个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果