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轮辐式空间索膜结构柔性大、频率低,其自振频率及振型位移在损伤前后的差别不大,并且各阶振型分布密集,难以辨别,很难通过动态响应的前后差异对结构损伤进行定位与识别。相对而言,结构损伤产生的静态响应(静态位移、内力)则比较明显。
本文以佛山世纪莲屋盖结构为背景工程,研究了轮辐式索膜结构基于静力的安全性评估的相关技术:分析了结构不同结构参数或损伤下的静力性能;提出了主要构件基于静力测量手段的内力识别方法;理论分析并试验研究了轮辐式索膜结构基于静态测量值的模型修正,建议了该类结构使用安全性的评估方法。研究主要的内容包括以下几个方面:
(1)分析了轮辐式索膜结构的静力性能,并重点研究了其在考虑不同损伤情况下的静力性能,得到了静态位移、拉索索力等静态特性参数在结构损伤前后的演化规律,为结构后续的损伤分析和模型修正提供借鉴和参考。
(2)分析了不同盲孔孔径下钢管外径对应变释放系数A、B的影响及钻孔释放规律,研究了释放系数A、B随钢管外径的变化规律以及钢管直径一定时盲孔孔径对释放系数A、B的影响。建议了释放系数A、B不需修正时钢管外径的适用范围。
(3)在盲孔法测量钢结构应力的基础上,提出了拉(压)弯圆钢管的内力识别方法,并推导了相应的内力计算公式;通过不同外径、不同表面应力分布情况下的3组9根钢管试件在两种不同钻孔方式下的钻孔试验,研究了不同外径、不同表面应力分布以及不同钻孔方式下的钻孔释放规律,验证了本文提出的拉(压)弯圆钢管内力识别方法的可行性。
(4)应用拉索的应力刚化效应和静力平衡原理,提出了一种基于静态测试手段的在役拉索索力识别方法,并在此基础上开发了一种索力识别装置。因索力的获得只与施力点位移和施力N大小有关。避免了常用索力测定方法中测量精度受拉索边界条件及材料参数取值影响较大的缺点,为在役拉索的索力识别提供了一种新的思路。
(5)提出了一种内衬采用软金属的复合索夹型式。采用显式非线性动态分析方法研究了复合索夹内衬采用不同材料时,索夹与拉索之间的接触变形演化规律。基于经典摩擦学理论,分析了摩擦力随夹紧力的变化规律,提出了等效摩擦系数的概念。
(6)研究了轮辐式索膜结构基于静态测量值的有限元模型修正技术。建立了位移残差方程,推导了灵敏度矩阵计算公式,采用最小残差法和Levenberg-Marquart法求解不适定方程,并根据上述算法用Matlab7.4编制了相应的计算程序。通过有限元分析和试验研究,分析了轮辐式索膜结构的待修正参数和结构响应测量参数,验证了基于静力的模型修正的可行性,并根据世纪莲屋盖结构竣工时的内环节点坐标测量数据,建立了竣工时的修正后模型。
(7)研究了在役结构安全可靠性评估的基本过程,并引入了在役结构安全评估的可变荷载模型以及拉索承载力的退化模型。在此基础上,提出了佛山世纪莲屋盖结构的安全可靠性评估的基本方法。