【摘 要】
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张弦结构体系因其自身优势,广泛应用于各类大型公共建筑、农业灌溉、建筑装修、结构加固等领域。因为预应力的引入,结构在承受外荷载之前即发生较大的几何非线性变形,导致结构整体性能发生较大的变化,在选形设计时难以进行整体优化。结构整体方案初步选定后,索撑节点作为结构细部设计中的重点,需要对其性能进行分析,并根据具体工程选择适宜的节点类型。索撑节点的作用是将拉索荷载有效传递给撑杆,但在结构张拉过程中节点处不
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张弦结构体系因其自身优势,广泛应用于各类大型公共建筑、农业灌溉、建筑装修、结构加固等领域。因为预应力的引入,结构在承受外荷载之前即发生较大的几何非线性变形,导致结构整体性能发生较大的变化,在选形设计时难以进行整体优化。结构整体方案初步选定后,索撑节点作为结构细部设计中的重点,需要对其性能进行分析,并根据具体工程选择适宜的节点类型。索撑节点的作用是将拉索荷载有效传递给撑杆,但在结构张拉过程中节点处不可避免的存在摩擦,引起预应力的损失,导致结构承载能力被高估,而目前大多数有限元软件对结构张拉过程中节点处的摩擦滑移均不能有效模拟。本文结合结构整体性能,对张桁架初步设计的形态进行优化,并对细部设计时两种常用索撑节点进行了性能分析,最后提出一种简便方法来考虑张拉过程中索撑节点的摩擦滑移情况,达到将设计预应力准确施加到结构中的目的。相关研究如下:(1)在初步选形阶段,进行结构整体性能优化。在MATLAB平台上利用遗传算法,通过命令流调用SAP2000,对不同状态下结构选形优化的同时,实现“找形”及“找力”;通过对10组模型的优化,得出矢高、上弦桁架截面高度、垂度及预拉力与跨度呈线性上升变化,趋势显著,腹杆间距基本保持不变,而撑杆数目则在6~13范围内变化。(2)结合某80m张弦桁架工程,对两种常见的张弦结构索撑节点考虑非线性摩擦接触,通过ANSYS分析摩擦系数与节点水平夹角对预应力损失的影响,并在不同的螺栓预紧力作用下,考察节点的抗滑移性能。发现不同摩擦系数及预拉力作用下,两种节点的预应力损失率最大均不会超过3%;板式节点的最大摩擦应力比球式节点小45.4%,滑移距离比球式节点大50.8%,而摩擦力比球式节点大255%。(3)提出一种索撑节点摩擦滑移分析的简便方法。基于向量式有限元理论,结合库伦摩擦模型,以节点处的摩擦力作为下一步计算的等效荷载,对结构在张拉过程中索撑节点的摩擦滑移进行逐步分析,试验和数值算例表明,该方法计算的最大误差分别为7.3%和4.7%。分析80m张弦桁架在张拉过程中的索撑节点滑移,得到了不同摩擦系数下预应力损失率及各构件的内力,发现在低摩擦范围内节点预应力损失率随摩擦系数增大而呈线性增加趋势,当摩擦系数达到0.2之后,预应力损失率则基本保持在2.5%左右。
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