张弦拱（拱架）结构性能的试验研究

论文摘要

张弦拱(拱架)是拱(拱架)与悬索通过撑杆连接组合而成的新型结构体系,索与拱(拱架)的水平反力互为平衡,结构轻巧,具有优良的受力性能。自上世纪90年代以来,张弦拱(拱架)已开始应用于多项大跨度公共建筑。随着此类结构应用的增多,其对应的结构性能研究需要进一步的深化。目前针对张弦拱(拱架)所做的研究主要是以有限元分析为基础,通过静力、动力的分析计算,得出一些有用的结论。但是,目前对张弦拱(拱架)缺乏系统地理论研究,对该结构体系的受力机理还缺乏足够的了解,没有一个连续化的分析方法与计算公式。这不仅使得一些通过有限元计算分析所得到的结论缺乏理论上的支持,也不利于张弦拱(拱架)的工程设计。本文从张弦拱(拱架)的受力机理出发,通过理论分析与模型试验,系统地研究了张弦拱(拱架)的静力、动力性能,并对张弦拱(拱架)在设计、施工中所遇到的问题提出了相关建议。本文的工作主要包括以下几个方面:概述了张弦梁体系的发展过程,通过其构件组成,几何形状与受力特征对张弦梁进行了分类,介绍了国内外研究人员在张弦拱(拱架)的相关领域所进行的工作,阐述了研究这类结构的相关意义,并介绍了目前国内外著名的张弦拱(拱架)结构工程。本文的研究工作主要针对张弦拱(拱架)展开。通过引入各种假设,将张弦拱(拱架)简化为一连续化体系,推导其在均布荷载作用下以及活荷载半跨分布下的位移、内力计算公式、及预应力张拉阶段的位移、内力计算公式。根据分析结果提出了预应力、结构矢跨比、垂跨比以及拱(拱架)截面抗弯刚度的合理取值建议。进行了模型试验以验证理论分析公式的正确性,并深化了对此结构的认识。模型试验的内容包括:张弦拱(拱架)张拉阶段的位移、内力反应;在均布荷载作用下模型的位移、内力反应;在活荷载半跨分布下模型的位移、内力反应;在均布荷载作用下模型的极限承载能力检验。试验目的主要包括:将试验结果、有限元分析、简化计算公式进行对比,确定有限元方法以及简化公式的适用性;从试验结果中总结出张弦拱(拱架)的受力特征,并通过简化计算公式进行解释,提出理论依据;对张弦拱(拱架)的破坏机理以及对应的极限承载力进行考察。以连续化假设为基础,推导了张弦拱(拱架)自振频率的简化计算公式。同时,进行了模型试验并采集了张弦拱(拱架)模型的前4阶自振频率及其对应振型,将试验实测结果与有限元分析以及简化公式计算相对比,验证有限元方法和简化计算公式的适用性。通过对试验结果的分析,总结出张弦拱(拱架)的自振特征,并利用简化计算公式对试验所得出的结果从理论上进行了解释与论述。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 张弦拱（拱架）结构的基本概念
• 1.1.1 张弦梁结构的概念定义与分类
• 1.1.2 张弦拱（拱架）的分类
• 1.1.3 张弦拱（拱架）结构的应用
• 1.2 张弦拱（拱架）结构的研究现状
• 1.2.1 张弦拱（拱架）的基本受力机理及工程可行性研究
• 1.2.2 张弦拱（拱架）计算方法研究
• 1.2.3 张弦拱（拱架）的静力特性研究
• 1.2.4 张弦拱（拱架）相关施工技术及索力检测研究
• 1.2.5 张弦拱（拱架）的结构改型
• 1.2.6 张弦拱（拱架）的动力特性研究
• 1.2.6.1 地震作用下张弦拱（拱架）的受力性能分析
• 1.2.6.2 风荷载作用下的张弦拱（拱架）受力性能
• 1.2.6.3 侧向冲击荷载作用下张弦拱（拱架）的受力性能
• 1.3 目前研究工作中有待解决的问题
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 张弦拱（拱架）结构的试验模型设计
• 2.1 模型试验介绍
• 2.1.1 试验目的
• 2.1.2 试验模型设计
• 2.1.3 模型加载装置
• 2.1.4 模型应变、位移与动力性能测试装置
• 2.1.5 试验加载方案
• 2.2 材性试验结果
• 2.3 本章小结
• 第三章 张弦拱架模型的试验结果分析
• 3.1 张拉阶段张弦拱架模型的试验结果汇总
• 3.2 全跨均布荷载作用下张弦拱架模型的试验结果汇总
• 3.3 活荷载半跨分布下张弦拱架模型的试验结果汇总
• 3.4 张弦拱架模型的极限承载力分析
• 3.4.1 张弦拱架模型极限承载力试验过程描述
• 3.4.2 试验结果分析
• 3.5 张弦拱架模型动力特性试验结果汇总
• 3.7 本章小结
• 第四章 张弦拱结构静力特性的分析与研究
• 4.1 全跨均布荷载作用下张弦拱结构受力性能研究
• 4.1.1 全跨均布荷载作用下张弦拱结构简化计算公式推导及讨论
• 4.1.1.1 整体平衡方程的推导
• 4.1.1.2 索力增量与位移关系的推导
• 4.1.1.3 拱单元的内力增量与位移关系推导
• 4.1.1.4 结构协调方程推导
• 4.1.1.5 不同位移函数讨论
• 4.1.2 全跨均布荷载作用下张弦拱结构静力特性分析
• 4.1.2.1 拱架抗弯作用讨论
• 4.1.2.2 对滑动端水平位移的讨论
• 4.1.2.3 对荷载态张弦拱结构内力的讨论
• 4.1.2.4 张弦拱结构的线性特性
• 4.2 活荷载半跨分布时模型受力性能研究
• 4.2.1 反对称荷载作用下张弦拱简化计算公式推导及讨论
• 4.2.2 活荷载半跨分布下张弦拱结构静力特性分析
• 4.3 张拉阶段张弦拱结构受力性能研究
• 4.3.1 张拉阶段张弦拱结构简化计算公式推导
• 4.3.2 预应力对均布荷载下结构的最不利受力区域的影响
• 4.3.3 预应力对活荷载半跨分布下结构的最不利受力区域的影响
• 4.4 静力试验中的误差分析
• 4.5 关于实际工程合理参数的讨论
• 4.5.1 合理预应力的讨论
• 4.5.2 合理矢跨比、垂跨比的讨论
• 4.5.3 合理拱（拱架）截面惯性矩讨论
• 4.6 本章小结
• 第五章 张弦拱结构动力特性的分析研究
• 5.1 张弦拱结构平面内振动的自振频率简化计算公式推导
• 5.1.1 张弦拱结构动力平衡微分方程的推导
• 5.1.2 索力增量的推导
• 5.1.3 张弦拱结构动力平衡微分方程的求解
• 5.1.4 二参数简化计算公式的求解与算例
• 5.2 张弦拱结构动力特性分析
• 5.3 动力试验中的误差分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文结论
• 6.1.1 张弦拱（拱架）的线性特性及简化公式的适用性
• 6.1.2 不同受力阶段张弦拱（拱架）的静力特性
• 6.1.2.1 预应力张拉阶段
• 6.1.2.2 均布荷载作用
• 6.1.2.3 活荷载半跨分布
• 6.1.3 合理结构参数的确定
• 6.1.4 张弦拱（拱架）的动力特性
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢