带滚动式张拉索节点的弦支穹顶结构体系研究课件

带滚动式张拉索节点的弦支穹顶,结构体系研究,Researches,on a suspen-dome structure with,sliding,cable-strut joint installed,带滚动式张拉索节点的弦支穹顶结构体系研究Researche,汇报提纲,一、研究背景,二、预应力钢结构索力测试方法研究,三、带滚动式张拉索节点弦支穹顶及单层网壳试验研究,四、滚动式张拉索节点应用于椭球形弦支穹顶的形态分析,五、预应力随机误差对弦支穹顶结构的影响分析,汇报提纲一、研究背景,2,结构优点,结构效能,高、,施工,方便,推广应用,结构设计,理论、施工,方法,施工方法,寻求高效施工方法：张拉环索,工程问题,摩擦损失，影响结构整体稳定性,解决措施,滚动式张拉索节点用于弦支穹顶,新结构性能研究,基于张拉整体思想提出的弦支穹顶结构由上部单层网壳和下部索撑体系组成。相比单层网壳可,减小支座反力,，,提高,结构的,稳定性,；相比索穹顶，上部网壳具有初始刚度，,降低,了,施工难度,。,弦支穹顶,一、,研究,背景,单层网壳,索杆体系,弦支穹顶,结构优点结构效能高、推广应用结构设计理论、施工方法施工方法寻,3,工程名称：山东茌平县文体中心体育馆,结构形式：,弦支穹顶叠合拱结构,网壳形式：,K6+,联方型球面网壳,索,撑体系：共设置,7,圈,索撑体系,结构跨度：直径,108m,边界约束：两圈共,48,个,径向释放,支座,体育馆实景图,试验模型,图,工程背景,工程名称：山东茌平县文体中心体育馆体育馆实景图试验模型图工程,4,技术,路线,带滚动式张拉索节点的,弦支,穹顶结构,体系,研究,滚动式张拉索节点,弦,支穹顶结构,精细化数值模拟,试验,研究,索力测试,应用推广,结构对预应力误差的敏感性分析,基于环索内力相等的找形分析,带摩擦的连续折线索单元,减小,摩擦,改进性能,椭球形,弦支穹顶,技术路线带滚动式张拉索节点的滚动式张拉索节点弦支穹顶结构精细,5,汇报提纲,一、研究背景,二、预应力钢结构索力测试方法研究,三、带滚动式张拉索节点弦支穹顶及单层网壳试验研究,四、滚动式张拉索节点应用于椭球形弦支穹顶的形态分析,五、预应力随机误差对弦支穹顶结构的影响分析,汇报提纲一、研究背景,6,二、,预应力钢结构索力测试方法研究,索力测试方法,直接法,间,接法,千斤顶压力表法,压力传感器法,量测应变法,移除锚固法,磁通量法,振动,频率法,振动波法,三点弯曲法,静力平衡法,二、预应力钢结构索力测试方法研究索力测试方法直接法间接法千斤,7,2.1,基于,钢管环压,方式连接拉索的索力测试,方法,弦支穹顶,试验要求,工程,实践,经验,直接法,概念明确,精度较高,优点,钢管,环,压连接拉索,的,索力测试方法,借鉴,压接,锚具,承受,拉力,3t,左右,构造示意图,试件实物,图,2.1 基于钢管环压方式连接拉索的索力测试方法弦支穹顶工程实,8,试验研究,试件,1,端,拉力,(kN),应变,(,),计算拉力,(kN),1,号应变,2,号应变,3,号应变,4,号应变,0,7,6,7,7,0,2,77,78,63,72,3.4,4,151,143,99,125,6.3,6,208,194,131,175,8.7,将,拉索内力传递到测力装置,上测定,索力的,方式可行,钢管,环,压,时仅能传递,较小拉力,试验仪器：,30t,拉力机、电阻应变仪,试件,2,测得,应变与拉力呈线性,关系,试验研究试件1端拉力(kN)应变()计算拉力(kN)1号,9,2.2,基于,夹片锚具,连接拉索的索力测试方法,有限元模拟,装置,的两锚环之间,的,L,2,取为,100mm,时能满足精度要求,2.2 基于夹片锚具连接拉索的索力测试方法有限元模拟装置的两,10,试验研究,试件,3,试件,4,试验仪器,：,20kN,万能试验,材性试验：,E,=237GPa,试验研究试件3试件4试验仪器：20kN万能试验材性试验：E=,11,锚,环,之间净,距,L,2,在,100mm,时,，已能,保证钢板,中间截面,内的,应力分布均匀,；,拉力,大于,1kN,时，相对误差,较小，,误差分析,表明,相对误差,在,10%,以内的保证率为,95.4%,；,采用,该装置测定拉索内力时，只需分别在上下,2,块钢板的,中间位置,沿轴向,布置应变片,即可精确地测得拉索内力。,试验结果,锚环之间净距L2在100mm时，已能保证钢板中间截面内的应力,12,汇报提纲,一、研究背景,二、预应力钢结构索力测试方法研究,三、带滚动式张拉索节点弦支穹顶及单层网壳试验研究,四、滚动式张拉索节点应用于椭球形弦支穹顶的形态分析,五、预应力随机误差对弦支穹顶结构的影响分析,汇报提纲一、研究背景,13,试验名称,模型尺寸,/m,完成单位,日本模型试验,3,日本法政大学,光丘穹顶实物加载试验,35,日本法政大学,天保中心屋盖,1,：,10,缩尺模型试验,3,天津大学,天津自然博物馆实物加载试验,18.5,天津大学,奥运会羽毛球馆,1,：,10,缩尺模型试验,9.3,北京工业大学,常州体育馆,1,：,10,缩尺模型试验,128,北京建筑工程研究院,常州体育馆缩尺模型试验,128,东南大学,椭圆平面弦支穹顶结构模型试验,6.75.1,北京建筑工程研究院,济南奥体中心,8,：,122,缩尺模型试验,8,浙江大学,大连体育馆弦支穹顶结构张拉成形及静载试验研究,14.511.6,哈尔滨工业大学,国内外对单层网壳和弦支,穹顶单独,研究均较多，,但两者,的对比分析多停留在数值分析的层次,，仅,日本,川,口卫采用两个相同的弦支,穹顶和相应,的单层球面网,壳进行,了对比研究,。,三、,弦支穹顶与相应单层网壳的静力性能对比试验研究,试验名称模型尺寸/m完成单位日本模型试验3日本法政大学光丘穹,14,以,山东茌平体育馆,为背景,单层网壳试验,性能对比,弦支穹顶试验,以山东茌平体育馆弦支穹顶实际工程为背景，开展,单层网壳静力性能试验,和,弦支穹顶的张拉、静力性能试验,，对比分析两种结构的力学性能。,工程背景,以山东茌平体育馆为背景单层网壳试验性能对比弦支穹顶试验以山东,15,3.1 K6,型单层网壳结构的计算理论,基于网壳内的薄膜力机制，提出一种杆件内力计算法：,截面法,计算步骤：,确定结构的,几何参数,；,在求解点处,环向剖切网壳,；,将相邻下一圈,斜杆,视为上部网壳,弹簧支座,并,求解刚度,；,利用外荷载与结构内力的平衡关系求解出该点的内力,。,竖向荷载作用下网壳内力流,沿径向杆的力流,沿,环向杆,的,内,压,外拉,力流,薄壳上任一点在面内的内力,分解,沿径向,的分力,沿,纬向的分力,3.1 K6型单层网壳结构的计算理论基于网壳内的薄膜力机制，,16,3.2 K6,型单层网壳结构在球坐标系下的有限元计算方法,K6,型单层球面网壳的,杆件布置呈现出非常强的规律性,，在,球坐标系中可快速求解各个节点的坐标,，结构的有限元分析更适合在球坐标系中进行，基于此推导,球坐标系下,的杆单元刚度矩阵。,3.2 K6型单层网壳结构在球坐标系下的有限元计算方法K6型,17,3.3 K6,型单层网壳结构静力性能试验研究,相似比设计,参数名,几何,应力,均布荷载,杆件,截面,相似比,1,：,10,1,：,1,2,：,1,1,：,50,应变测点：,80,个（考虑结构对称性）,位移测点：,15,个,应变测点布置图,位移测点布置图,脚手架布置,应变、位移采集系统,3.3 K6型单层网壳结构静力性能试验研究相似比设计参数名几,18,全跨加载,半跨加载,杆件编号,XB1-4,XB1-5,XB3-1,XB5-1,XB10-1,XB12-1,XB14-1,XB16-1,截面法,-10.0,-3.0,-15.5,-21.2,-20.3,-24.6,-11.6,0,有限元解,-10.2,-2.4,-17.4,-28.3,-25.2,-25.2,-29.6,-1.6,试验值,-22,-2.9,-33.1,-48,-51.2,-21.6,-56,-4.8,截面法,与,有限元,法,计算,结果,较为,接近,，但均,比试验值偏,小,；,截面法,与,有限元结果,的相近性,验证,了单层网壳,内的,类似薄膜力的,传,力,机制,；,计算,值与试验值之间的,差别由于,杆件受,腐蚀,后截面有所减小所致。,试验过程,试验结果,全跨加载半跨加载杆件编号XB1-4XB1-5XB3-1XB5,19,杆件应力、节点位移,试验值,与,有限元,理论值,变化趋势相同,；,由于,锈蚀,，杆件应力、节点位移的,试验值,均,大于理论值,；,半跨,荷载作用下结构的,最大应力大于全跨,荷载作用下。,全跨结果,半跨结果,斜向杆件应力分布图,环向杆件应力分布图,挠度分布图,斜向杆件应力分布图,环向杆件应力分布图,试验结果,试验结论,杆件应力、节点位移试验值与有限元理论值变化趋势相同；全跨结果,20,3.4,弦,支穹顶预应力优化分析,预应力设计原则,拉索在任意工况下不松弛；,上部结构受力最优；,支座水平推力最小。,优化结果,建立,结构的优化数学模型,联合,运用两种优化,方法,会,得出,比较理想的,解,；,先,采用零,阶法或随机搜索,在全局范围内找到一个粗糙的合理,解,；,在,前面分析基础上使用一阶优化方法局部精确寻优。,计算方法,零阶,零阶,+,一阶,随机,随机,+,一阶,荷载工况,重力,+,满跨集中荷载（,100kg/,节点）,F,7,（,N,）,532,213,1397,300,F,6,（,N,）,1087,499,4129,1773,F,5,（,N,）,1059,959,6672,1604,F,4,（,N,）,2946,1723,7079,1998,F,3,（,N,）,10109,2396,12763,2473,F,2,（,N,）,5482,3435,10443,5041,F,1,（,N,）,19750,14230,8832,11511,U,z,max,（,mm,）,3.86,2.02,3.32,1.52,max,（,MPa,）,80.8,43.6,93.5,44.8,3.4 弦支穹顶预应力优化分析预应力设计原则建立结构的优化数,21,3.5,弦,支穹顶结构张拉试验研究,节点位移采集系统采用先进的,激光跟踪仪,组成,：激光跟踪头（跟踪仪）、控制器,、计算机,、反射器（靶镜,）等组成,特点,：高精度（精度达,0.01mm,）、高效率、实时跟踪、安装快捷等,原理,：角度测量部分（类似于经纬仪）、距离测量部分、激光跟踪控制部分,试验测量,3.5 弦支穹顶结构张拉试验研究节点位移采集系统采用先进的激,22,索力测量,应变、位移测量的测点布置与采集方式与单层网壳试验相同,试验测量,斜拉索测点,环索测点、张拉点,环索内力测量实景图,索力测量试验测量斜拉索测点环索测点、张拉点环索内力测量实景图,23,张拉,时由外向,内分,2,级张拉,；,张拉点布置，张拉力控制值；,张拉时保证拧螺栓的,速度,基本,一致,，保持在,5,圈,/30s,。,张拉力控制值,级数,第,1,圈,第,2,圈,第,3,圈,第,4,圈,第,5,圈,第,6,圈,第,7,圈,第,1,级,(N),4950,2220,1270,945,495,370,100,第,2,级,(N),11500,5040,2470,2000,1600,1770,300,张拉试验,张拉时由外向内分2级张拉；张拉力控制值级数第1圈第2圈第3圈,24,最,外圈,环索对结构的影响,最显著,；,最外圈,环索,的,张拉，,使,内圈,索力,增大，,且,增大,幅度,由外向内逐渐减小,；,后一圈环索的,张拉使,外侧已张拉环索的内力变大,，且相邻圈影响最大；,斜,拉杆与,相应,位置环索内力,变化相对应,，,但,斜,拉杆中的内力分布不均；,张拉,过程网壳杆件,应力均较小,，,起拱最大,区域,位于第,1,圈环索,上方区域,。,上部网壳,杆件应力变化,曲线图,斜拉杆,内力变化,曲线,竖向,位移变化,曲线,试验结果,试验结论,最外圈环索对结构的影响最显著；上部网壳杆件