车辐式张拉结构的体型研究与设计

论文摘要

车辐式张拉结构主要由内外环以及介于两者之间的拉索或者索桁架组成，属于自平衡体系，结构体型轻盈，近年来常搭配膜材应用于大跨体育场建筑。为推广其在国内应用，本文对其体型展开了详细研究。首先需要确定结构的初始平衡态。由于现代体育场建筑一般采用碗状看台，因此外环一般呈马鞍形以与看台相适应，建筑师直接凭感觉绘出可行的结构位形是非常困难的，因此“由形找力”可行性较低。本文将力密度法用于车辐式张拉结构找形，发现其非常有效且概念清晰。研究发现，结构平面投影唯一对应索系力密度分布，进而确定结构空间位形，相当于“由形找力再找形”，解决了拓展力密度法收敛性差的问题。初始平衡态确定后，对不同平面投影单层车辐式张拉结构的静力性能展开研究。发现内外环相似程度对外环受力的影响非常明显，内外环不相似会带来外环弯矩的急剧增大以至于无法实际应用。为减小外环弯矩，本文提出了平衡环方案以解决这一问题。随后，本文还对次环索布置、内外环之间拉索的不同布置方式分别进行了研究。而结构体型的参数分析则表明，索系力密度不但决定结构位形，还是单层车辐式张拉结构刚度的主控因素。由于平面投影的研究成果是通用的，对双层车辐式张拉结构体型的研究主要是关注索桁架形式的变化，分别比较了基本体型（上下径向索之间只通过内环撑杆连系）、凹索桁架和凸索桁架这三种形式的受力性能。文中针对凸索桁架体系的失稳现象进行了理论研究，并提出了解决措施，设计了新的结构体型。此外，本文还对凹/凸索桁架的初始态设计给出了建议。在上述研究的基础上，对用于体育馆的车辐式张拉结构形式进行了分析，简化了复杂的刚性内环。上述体型研究工作完成后，结合宝安体育场这一工程实例，对实际结构设计中遇到的问题（如整体结构侧向刚度、外环稳定性等）展开研究，进一步完善了车辐式张拉结构的初步设计流程。此外，本文还介绍了宝安体育场的1:10模型试验，试验节点的构造、模型张拉过程以及静动力性能的测试对于未来类似工程的建设都有一定的参考意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 车辐式张拉结构的概念
• 1.2 车辐式张拉结构的体型分类及典型工程应用
• 1.2.1 单层车辐式张拉结构
• 1.2.2 双层车辐式张拉结构
• 1.3 国内外研究概况
• 1.3.1 结构体型的确定——找形
• 1.3.2 结构体型的判定——找力
• 1.3.3 结构体型研究及参数分析
• 1.4 本文研究内容及思路
• 第2章 车辐式张拉结构的找形分析
• 2.1 力密度法基本原理
• 2.1.1 枝-点矩阵
• 2.1.2 基本力密度法
• 2.1.3 考虑约束条件的拓展力密度法
• 2.2 力密度法在车辐式张拉结构找形中的应用
• 2.2.1 单层车辐式张拉结构
• 2.2.2 双层车辐式张拉结构
• 2.3 本章小结
• 第3章 单层车辐式张拉结构体型研究及参数分析
• 3.1 结构受力机理——两个简单的索系模型
• 3.2 结构体型研究
• 3.2.1 内外环平面投影
• 3.2.2 布设平衡环
• 3.2.3 布设次环索
• 3.2.4 内外环之间拉索的布置方式
• 3.3 主要参数分析
• 3.3.1 径向索数目
• 3.3.2 拉索预应力和截面面积
• 3.3.3 外环高差与内外环平面尺寸
• 3.3.4 外环刚度
• 3.4 本章小结
• 第4章 双层车辐式张拉结构体型研究及参数分析
• 4.1 结构体型库
• 4.2 结构体型研究
• 4.2.1 基本体型静力性能
• 4.2.2 索桁架形式的变化
• 4.2.3 索桁架的侧向稳定性
• 4.2.4 刚性内环和柔性内环
• 4.3 主要参数分析
• 4.3.1 内环撑杆高度
• 4.3.2 上下径向索力密度比值
• 4.3.3 外环高差及其刚度
• 4.4 本章小结
• 第5章 宝安体育场结构设计关键问题及 1:10 模型试验
• 5.1 工程概况
• 5.2 结构设计关键问题
• 5.2.1 整体结构侧向刚度
• 5.2.2 外环梁稳定性研究
• 5.2.3 细部节点设计
• 5.3 1:10 模型试验
• 5.3.1 试验目的
• 5.3.2 试验准备工作
• 5.3.3 结构张拉成形状态校核
• 5.3.4 静力性能测试
• 5.3.5 动力特性测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果