大跨度张弦双层网壳施工模拟分析和监测

论文摘要

张弦网壳是近年来出现的新型空间结构,由于将预应力引入网壳结构,通过张拉网壳下弦杆,使结构受力性能明显改善,网壳的建造跨度更大、应用范围更广,产生了良好的经济、社会和城市景观效益。然而,预应力张弦网壳结构体系复杂,节点和工序繁多,要经历复杂的施工及结构体系转换过程。而施工仿真模拟和施工监测,可有效地避免质量和安全事故发生。本文以武汉体育中心二期体育馆为工程背景,从理论和试验两个方面对其进行了系统的分析。首先,基于有限元理论基础,考虑几何非线性及材料非线性,采用通用有限元软件ANSYS对球节点进行非线性分析。采用ANSYS中shell143弹塑性壳单元进行建模分析,在有限元分析的基础上合理布置多个应变计,对焊接空心球节点进行足尺模型试验,进而获得试验过程中节点上关键部位的应力状态,并确定节点的承载力。其次,应用有限元分析软件ANSYS对网壳结构的施工过程进行数值模拟,建立该网壳空间模型,分析该网壳的静力特征,得出网壳各构件在不同施工和结构成型过程中的内力模拟计算值,验证杆件设计的合理性,并为施工监测确定测试传感器的安装部位和测点位置提供必要的依据;根据模拟受力和监测结果,要求施工方对施工过程中可能的危险区域和部位采取相应措施。为完善设计、施工提供依据,确保了施工结构安全。结果表明:本文大跨度张弦扁平网壳结构计算模型合理,方法可行,结果可靠。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 网壳结构的发展
• 1.2.2 网壳结构分析理论和工程应用
• 1.2.3 施工力学分析理论
• 1.2.4 大型结构施工监控的状况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 施工模拟分析理论和网壳施工方法
• 2.1 引言
• 2.2 有限元分析的基本理论
• 2.2.1 空间铰接杆单元的弹性刚度矩阵
• 2.2.2 索单元的刚度矩阵
• 2.2.3 结构总刚度矩阵
• 2.2.4 静力平衡方程
• 2.2.5 网壳单元内力计算
• 2.3 施工全过程分析的几种方式
• 2.3.1 近似验算法
• 2.3.2 单元生死法
• 2.4 大跨度网壳结构主要的施工方法
• 2.4.1 高空散装法
• 2.4.2 分条、分块安装法
• 2.4.3 整体提升法
• 2.4.4 整体顶升法
• 2.4.5 折叠展开施工法
• 第3章 网壳安装过程
• 3.1 引言
• 3.2 工程介绍
• 3.3 预应力网壳整体安装流程
• 3.4 网壳的安装方法
• 3.4.1 安装方法总述
• 3.4.2 中心区域网壳整体顶升安装工艺
• 3.4.3 整条吊装部分
• 3.4.4 散装区域钢网架的安装
• 3.4.5 衔接部分钢网架的安装
• 3.5 预应力拉索的安装
• 3.5.1 拉索安装总体原则
• 3.5.2 拉索安装前的准备工作
• 3.5.3 索力施加方法
• 3.5.4 拉索张拉程序
• 3.6 本章小结
• 第4章 施工数值模拟分析
• 4.1 引言
• 4.2 焊接空心球节点模拟
• 4.2.1 模型建立
• 4.2.2 有限元分析结果
• 4.2.3 本节小结
• 4.3 网壳整体模型的建立及分析
• 4.4 施加荷载
• 4.4.1 杆件、拉索、撑杆自重
• 4.4.2 节点自重
• 4.4.3 屋面板自重
• 4.4.4 施工活荷载
• 4.5 施工工况设计
• 4.6 施工模拟结果分析
• 4.6.1 施工过程中杆件轴力和屋盖竖向变形
• 4.6.2 各工况杆件模拟最大（小）轴力与设计值的比较
• 4.6.3 索力设计值与模拟值的比较
• 4.6.4 顶升点及网壳中心点的模拟位移
• 4.6.5 网壳支座水平位移模拟分析
• 4.6.6 索力对杆件轴力影响分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 施工监控
• 5.1 引言
• 5.2 施工监控
• 5.2.1 网壳的应力监测
• 5.2.2 网壳的位移监测
• 5.2.3 索力监控
• 5.3 施工监测过程
• 5.4 网壳杆件监测结果
• 5.4.1 各工况杆件的监测轴力
• 5.4.2 索力监测结果
• 5.4.3 索拉力对网壳的受力影响
• 5.4.4 各测点的监测位移
• 5.5 设计值、模拟值、监测值比较分析
• 5.5.1 杆件轴力
• 5.5.2 索拉力
• 5.5.3 网壳整体位移
• 5.5.4 网壳支座测点水平位移
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 进一步工作的分向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果