多次预应力钢结构理论与试验研究

论文摘要

预应力钢结构是钢结构领域的一个新体系,可以创造新颖的钢结构形式和独特的建筑风格。将预应力引入钢结构,可以充分发挥材料强度潜力,减少用钢量,同时还可以改善结构构件受力状态,降低应力峰值,增大结构刚度和稳定性,改善结构静、动力特性。多次预应力钢结构通过预应力→加载→预应力→……分多级施加预应力,不仅可以反复利用材料弹性界限内的抗压与抗拉强度,进一步提高结构承载能力,节约材料,产生更大的预应力效益,而且能够利用多次预应力,实现更大跨度的空间结构形式。本文通过理论分析、数值模拟和模型试验等研究手段,对多次预应力钢结构的稳定、优化、静动力特性及抗震性能进行了研究,论文的主要研究工作和相应研究成果如下:1.基于非线性有限元原理对预应力空间钢结构进行了稳定性能分析。以预应力拱桁架为对象进行了特征值屈曲分析、采用弧长法和牛顿-拉斐逊法进行了荷载-位移全过程屈曲分析,采用一致缺陷模态法进行了考虑初始缺陷下的结构非线性屈曲分析。得出了预应力拱桁架结构的平面外失稳特点,得到了预应力对结构稳定的影响规律,并指出了Ansys进行预应力钢结构屈曲分析的一些缺陷,对今后此类工程的设计具有一定的指导作用。2.提出了预应力和截面优化的数学模型及求解方法。在综合对比预应力钢结构分析中引入预应力的各种方法的基础上,首次提出了以拉索初始应力为设计变量、以结构杆件应力平方和最小为目标函数进行预应力优化的方法,并在此基础上建立了结构重量最轻为目标函数、预应力和截面两级优化的预应力空间钢结构优化设计模型,该模型考虑了结构应力约束、位移约束条件、长细比约束和变量上下限约束,并且同时考虑了杆单元和梁单元两类单元的稳定约束。编制了相应程序,算例表明所提出方法不仅可以满足工程优化设计需要而且可以较快地收敛得到满意的优化结果。3.针对多次预应力钢结构施工特点发明了一种在支座张拉端具有十字交错开槽环状夹片的多次张拉锚具的可滑移弹性减震支座。该支座利用铅芯橡胶垫作为弹性减震体。对该支座进行了力学性能研究及铅芯橡胶垫性能试验,建立了支座的力学模型,得到了铅芯橡胶垫的分析模型及各种相关性能。该支座在施工过程中可相对于支撑柱产生一定的滑移和转动,大大减小施工过程中支撑柱顶的水平反力,在施工完成后可使支座与支撑柱具有可靠的连接,传递轴向力与一定的剪力,并能在水平方向产生一定弹性变位和转动,适用于预应力网壳、预应力

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 预应力钢结构概述及其分类
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 预应力钢结构分类
• 1.2 预应力引入方式
• 1.2.1 钢索张拉法
• 1.2.2 支座位移法
• 1.2.3 弹性变形法
• 1.3 多次预应力钢结构的特点及原理
• 1.4 预应力钢结构国内外发展状况
• 1.5 预应力钢结构亟待解决的问题
• 1.6 本论文研究目标和内容
• 第2章 预应力钢结构稳定性分析
• 2.1 引言
• 2.2 预应力钢结构屈曲分析
• 2.2.1 特征值屈曲分析
• 2.2.2 非线性屈曲分析
• 2.2.3 考虑初始缺陷的屈曲分析
• 2.2.4 算例分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 预应力钢结构优化设计
• 3.1 预应力钢结构优化指标的影响因素分析
• 3.2 预应力值的引入
• 3.3 优化模型及优化方法
• 3.3.1 预应力优化
• 3.3.2 截面尺寸优化
• 3.3.3 优化方法
• 3.3.4 预应力与截面优化
• 3.3.5 算例
• 3.4 本章小结
• 第4章 可滑移弹性减震支座及其力学性能试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 多次预应力钢结构可滑移弹性减震支座设计
• 4.3 多次张拉锚具的设计
• 4.4 支座力学模型
• 4.4.1 支座静力分析模型
• 4.4.2 支座动力分析模型
• 4.5 铅芯橡胶垫设计及性能试验
• 4.5.1 铅芯橡胶垫设计
• 4.5.2 铅芯橡胶力学性能试验
• 4.6 本章小结
• 第5章 多次预应力拱桁架静力试验研究
• 5.1 多次预应力拱桁架结构静力分析
• 5.2 索力测量方法
• 5.3 多次预应力拱桁架结构静力加载试验
• 5.3.1 试验模型
• 5.3.2 试验方案
• 5.3.3 试验加载过程
• 5.3.4 试验结果分析
• 5.3.5 误差分析:
• 5.4 本章小结
• 第6章 多次预应力拱桁架动力特性试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 模态分析
• 6.3 试验原理
• 6.4 试验方案
• 6.5 多次预应力拱桁架结构激振试验
• 6.5.1 多次预应力拱桁架结构振型测试
• 6.5.2 多次预应力拱桁架结构频率测试
• 6.5.3 结构频率试验结果与理论计算结果比较
• 6.5.4 多次预应力拱桁架结构阻尼比的测试
• 6.6 本章小结
• 第7章 预应力拱桁架振动台试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 预应力拱桁架地震反应分析
• 7.3 预应力拱桁架振动台试验
• 7.3.1 试验方案
• 7.3.2 地震波选取
• 7.3.3 试验工况
• 7.3.4 测点布置
• 7.4 预应力拱桁架振动台试验结果分析
• 7.4.1 不同预应力对结构地震反应的影响
• 7.4.2 不同支座条件对结构地震反应的影响
• 7.4.3 铅芯橡胶支座对结构地震反应的影响
• 7.5 本章小结
• 结论与展望
• 1. 本论文主要工作及结论
• 2. 今后需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和科研成果
• 致谢