带拉索预应力钢结构受力全过程的计算程序编制与分析研究

论文题目: 带拉索预应力钢结构受力全过程的计算程序编制与分析研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 结构工程

作者: 张翀

导师: 舒赣平

关键词: 预应力钢结构,几何非线性,索单元,梁单元,杆单元,程序编制,张拉预应力,找形

文献来源: 东南大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在预应力钢结构体系中,带拉索预应力钢结构是通过张拉拉索在结构内部产生预应力,并以柔性拉索为主要承重构件或辅助承重构件的一种结构体系。这种结构体系也是预应力钢结构中使用最广泛的一种结构体系。本文以几何非线性有限元理论为基础,编制了带拉索预应力钢结构受力全过程计算程序。通过对大跨度张弦结构和索网结构的算例计算分析,验证了程序的正确性,并对此类结构的受力性能进行了研究。本文总结了几何非线性有限元分析的基本理论,推导了两节点空间杆单元、两节点空间梁单元和五节点空间索单元的非线性切线刚度矩阵,结构总体刚度矩阵,静力平衡方程以及结构单元内力的求解公式,设计了带拉索预应力钢结构非线性分析的一般流程。本文全面探讨了带拉索预应力钢结构受力全过程分析的基本方法。总结了索梁体系、索网体系找形分析的方法,并进行了流程设计。对等效力法、降温法、初应变法和模拟千斤顶法这几种模拟张拉预应力的方法进行了对比分析。根据力的平衡条件和位移的协调条件判断了这几种方法的正确性;并说明了保持计算模型在分析过程中完整性的重要意义。对降温法模拟张拉预应力的实质进行了深入的探讨,解释了降温法的实质是,张拉降温后已缩短的拉索,使拉索端与结构端重合而在结构内部建立预应力的过程。根据这一解释,可以得到降温法与实际张拉过程的关系,并可准确的确定拉索的拔出长度。随后,对采用降温法准确的建立给定预应力进行了探讨,并设计出了迭代计算方法应用于程序计算中。本文采用Fortran 90高级程序设计语言,利用了Fortran PowerStation 4.0集成开发环境,编制了带拉索预应力钢结构受力全过程的计算程序。程序采用了两节点空间杆单元、两节点空间梁单元和五节点空间索单元三种非线性单元,结合荷载增量法和牛顿-拉普森法,使该程序对几何非线性很强的结构也能得到收敛的结果。程序主要分为前处理、计算分析和后处理三个功能模块,其中计算分析模块能完成带拉索预应力钢结构受力全过程分析(找形分析、张拉预应力分析和承载分析)。通过对杆单元、梁单元和索单元所组成的结构的计算,并与经典文献理论解的比较,证明了程序的正确性。本文采用编制的程序,对大跨度张弦结构和索网结构进行了全过程分析,对这两类结构的受力性能进行了研究。其中,大跨度张弦结构以哈尔滨会展中心张弦桁架为算例,并将程序计算得到的结果与实际施工中实测的数据对比。本文最后对全文进行了总结,提出了一些有用的结论和建议。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 预应力钢结构概述

1.2 带拉索预应力钢结构的特点和结构体系

1.2.1 带拉索预应力钢结构的特点

1.2.2 带拉索预应力钢结构的结构体系

1.3 带拉索预应力钢结构的发展回顾

1.3.1 带拉索预应力钢结构在国外发展回顾

1.3.2 带拉索预应力钢结构在国内发展回顾

1.4 带拉索预应力钢结构的设计计算特点

1.5 现阶段设计计算中存在的问题

1.6 本文所研究的内容

本章参考文献

第二章 带拉索预应力钢结构的几何非线性有限元理论

2.1 非线性分析中变形体的运动描述

2.2 拉格朗日描述中的TL 列式和UL 列式

2.2.1 完全的拉格朗日列式法（TL 法）

2.2.2 更新的拉格朗日列式法（UL 法）

2.2.3 TL 法和UL 法的比较

2.3 非线性方程组的数值解法

2.4 收敛准则

2.5 非线性空间杆单元

2.6 非线性空间梁单元

2.7 非线性空间索单元

2.7.1 索非线性分析的常用模型

2.7.2 非线性空间五节点索单元

2.8 结构总体刚度矩阵和静力平衡方程

2.9 结构单元内力计算

2.10 非线性有限元分析程序的基本流程

2.11 本章小结

本章参考文献

第三章 带拉索预应力钢结构的受力全过程分析

3.1 带拉索预应力钢结构的找形分析

3.1.1 几何给定索梁体系的形状确定

3.1.2 几何给定索网体系的形状确定

3.2 带拉索预应力钢结构张拉预应力阶段的分析

3.2.1 施加预应力的主要方法

3.2.2 拉索和张拉锚固设备

3.2.3 张拉预应力的模拟计算

3.2.3.1 模拟计算张拉预应力时应注意的问题

3.2.4.2 模拟计算施加预应力的方法

3.2.3.3 模拟计算张拉预应力方法的比较分析

3.3 带拉索预应力钢结构的承载阶段分析

3.4 本章小结

本章参考文献

第四章 带拉索预应力钢结构全过程分析的程序编制

4.1 带拉索预应力钢结构受力全过程计算程序的功能模块

4.2 带拉索预应力钢结构受力全过程计算程序的编制

4.2.1 程序编制的总体特点

4.2.2 程序三个模块的编制过程

4.3 程序编制中应注意的问题

4.3.1 五节点索单元的内插节点的凝聚

4.3.2 五节点等参元数值积分阶次的选择

4.3.3 节点大位移条件下梁的坐标转换矩阵

4.3.4 切线刚度矩阵和内力等效节点力计算的精确性对结果的影响

4.4 程序准确性验证和算例分析

4.4.1 杆单元验证分析

4.4.2 梁单元验证分析

4.4.3 索单元验证分析

4.4.4 拉索框架组合结构验证分析

4.5 本章小结

本章参考文献

第五章 带拉索预应力钢结构受力全过程分析实例

5.1 大跨度张弦结构的全过程分析

5.1.1 张弦结构的预应力的施加方法

5.1.2 大跨度张弦结构张拉预应力阶段分析实例

5.1.3 大跨度张弦结构的全过程分析实例

5.2 索网结构的全过程分析

5.2.1 索网结构找形分析算例

5.2.2 索网结构荷载作用阶段分析

5.3 本章小节

本章参考文献

第六章 全文总结

附录1——空间梁单元刚度矩阵和系数矩阵

附录2——带拉索预应力钢结构受力全过程计算程序主程序核心部分源代码

致谢

发布时间: 2007-06-11

参考文献

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