长春体育场开口式索膜结构施工模拟与支座节点性能研究

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以开口式索膜结构为代表的预应力整体张拉结构由于具有更强的跨越能力与更轻的结构自重,被广泛应用于体育场馆等各类大跨度空间结构中。对于开口式索膜结构来说,不恰当的施工张拉方式可能导致结构成形态与设计状态相去甚远,因此,控制施工过程中的各种关键因素,确保将预应力按照设计形态合理地引入结构体系至关重要。在建的长春体育场屋盖结构在内凹型开口式索膜结构基础上引入了背索索系,是一种较新的结构形式,现有工程的经验对其无法完全适用,对它的施工相关问题进行研究不仅对此类工程的实际设计施工具有一定的指导意义,也可以为其他开口式索膜结构体系中类似问题的解决提供参考。本文开展了以下工作:  首先,就索的单元划分对有限元计算结果的影响进行了研究;在确定了计算模型的基础上,利用有限元软件ANSYS对长春体育场屋盖结构的成形过程进行了施工模拟,分析了同步张拉脊索谷索、分步张拉脊索谷索、同步张拉脊索谷索最后张拉上外脊索3个张拉方案中结构成形过程的特点,并综合各方面因素对3个方案进行了对比,给出了建议方案。研究了膜结构张拉对索内力与形态的影响,结果表明膜结构安装后大部分拉索均受到了膜材的绷紧作用,索力出现了增长。这是长春体育场作为一种新型结构体系较为鲜明的特点。  采用通用有限元软件ABAQUS/Explicit在时域内对长春体育场屋盖开口式索膜结构的成形全过程进行了显式动力学动态模拟。研究结果表明,与静力的施工模拟方法相比,显式动力分析不仅能获得张拉初始阶段的结构形态,而且能得到结构位形与构件内力在结构成形全过程中更详细的变化规律。  为了研究施工过程中温度变化可能对结构成形态造成的影响,将温度效应作用具体归纳为环桁架合拢温度与谷索就位温度的温差△Ti和脊索、谷索就位温度温差△T2两个变量的影响,分别研究了△T1和△T2对结构性能的影响规律以及初始预应力度与结构温度效应的关系,取得了一定结论。  对长春体育场结构受力性能与支座约束形式的关系进行了分析,并在此基础上利用有限元软件WORKBENCH对径向可滑、环向限位球型支座进行了弹塑性有限元分析。球面板与下盖板间摩擦系数的参数分析表明,支座受力性能随着摩擦的增大而降低。加工过程中应采取措施保证支座转动性能,以充分发挥其承载能力。  本文通过对以上内容的研究,确定了最优施工方案,得到了构件内力与节点位移在结构成形过程中的详细变化规律,揭示了施工过程中的温度变化对结构的影响,不仅对实际工程的设计施工具有一定的指导意义,也为类似结构的相关问题研究提供了参考。
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