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最近三年有四座大跨度弦支穹顶结构相继建成,在大跨度杂交预应力钢结构体系中,新一轮的“弦支穹顶热”已经到来。为了能够与时俱进,国内外学者结合课题和工程实践对该结构体系展开了研究与探索,并取得了阶段性成果。但是在弦支穹顶预应力施工技术方面,目前的研究工作还不够全面和深入,部分问题的研究仍滞后于工程实践的需要。本文在总结已有研究成果的基础上,以东南大学参与的世界上三个百米级弦支穹顶结构为工程背景,以弦支穹顶结构预应力施工技术为主要研究方向,着重对该类结构的施工全过程分析方法、施工过程影响因素、施工控制指标、与拉索相关节点的构造和分析以及施工工艺等方面进行系统研究和总结。
在弦支穹顶结构施工力学分析方面,综合考虑了零状态和初始态的结构位形差异、支撑与刚构的非线性接触、施工临时结构体系的转换、结构几何非线性、施工过程模拟时对未张拉单元的处理以及主动脱架的模拟方法等,提出基于等效预张力的正算法,该方法是个完整的预应力施工全过程分析系统。通过工程应用,验证了该方法的正确性和有效性。
系统地分析了弦支穹顶预应力拉索张拉阶段的支座约束状态、张拉过程、索力偏差和施工环境温度四类施工因素对弦支穹顶静力和稳定性能的影响。结果表明:拉索张拉阶段的支座约束状态、施工过程对弦支穹顶的性能影响较为明显,而索力偏差和施工环境温度对该类结构的性能影响影响较小。
从撑杆偏摆对结构性能的影响以及相关施工允许误差兼容性两方面,综合确定了撑杆垂直度的允许偏差。建议撑杆垂直度的允许偏差取值为±1/150~±1/200。提出误差影响因子的概念及其计算方法,通过比较各控制项目之间的误差影响因子,确定各项目的控制顺序,进而确定主控项目。
对弦支穹顶的索夹节点进行了归纳,并指出该类索夹设计的关键尺寸,对拉索锚固节点的耳板构造设计进行了研究。对铸钢节点分析方法进行了研究,确定了节点有限元分析时的网格划分精度和单元类型。分析结果显示:铸钢索夹节点可以根据弹塑性分析确定其极限承载力;耳板应按文中给出计算公式验算其承载力。
对拉索的制作、安装、误差调整和张拉工序进行了系统研究。介绍了成品索的制作工艺,研究了弦支穹顶结构预应力施工三种张拉方法对应的索杆长度误差调整方法,总结了拉索安装、张拉的基本要求,结合实际工程分别介绍了三种拉索张拉方法及其张拉装置和张拉过程。
本文希望能为今后弦支穹顶结构的预应力施工提供强有力技术支持。