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1、XX大学 硕士学位论文开题报告大跨度张弦梁的设计与应用 一、研究意义、研究依据和研究目的1.1研究意义伴随着建筑设计与施工技术的发展与提高,以及社会活动和生产需要而对建造大跨度建筑的需求也与日俱增。尤其是在我国目前经济飞速发展、全民健身运动蓬勃开展的形势下,各地都在建设大量大跨度的会展中心、体育场馆。大跨度张弦梁结构由于具有三维受力并呈空间工作的特性,其结构效能较平面结构大为提高,可以用较少的材料跨越较大的跨度空间。大跨度张弦梁结构是目前公共建筑中应用最为广泛的结构类型。虽然自七十年代以来,大跨度张弦梁结构在我国有了长足的发展,但从目前国内己建体育场馆及大跨度建筑上看,国内这一领域还与国际先进
2、水平存在很大差距。值得关注的是,进入新世纪,北京2008年奥运场馆建设,2010年上海世博会及2012年广州亚运会的申办成功,都为我国大跨度张弦梁结构的快速发展提供了前所未有的机遇。大跨度张弦梁结构顾名思义,是由弦、撑杆和抗弯受压构件组合而成的新型结构体系。介绍了张弦梁结构体系的结构形式、受力性能等特点,并结合工程实例对张弦梁结构设计进行分析。随着对张弦梁结构的深入理解及对其受力特点的探究,又出现其它形式。但各种形式张弦梁结构在组成上具有共同点,那就是均通过撑杆连接抗弯受压构件(如梁、拱、空间析架等)和抗拉构件(如弦)。所以张弦梁结构可定义为:用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件,通过在抗拉构件上
3、施加预应力,减轻压弯构件负担的自平衡体系。随着研究工作的不断开展,人们对张弦梁结构受力机理的认识逐步深入,日趋清晰。但美中不足的是,对一该类结构的弹塑性静力性能、动力性能等方面的研究还不够全面,正因为如此这些领域成为近年来工程科技人员的研究热点,也正是本文的研究重点。1.2研究依据本文从工程应用的角度出发,将预应力拱架结构受力过程中涉及的状态定义如下:零状态,即体系在无自重、无预应力作用时的放样状态;初始态,即体系在自重和预应力作用下的自平衡状态;荷载态,即体系在初始态的基础上,承受其他外荷载时的受力状态。结构的零状态所对应的几何参数应当是供工厂加工构件时所需的,如果屋架在地面上放样拼装,或者
4、施工组装时屋架临时支承在脚手架上,那么就可以不考虑自重作用,也就是结构的放样几何。初始态所对应的几何参数就是图纸的设计几何外形,在初始态时下弦索己经张拉完毕,使结构形成整体共同工作,要达到设计要求的造型,显然应该考虑到自重的作用。本文所要求解的问题可归纳为初始态预应力分布的确定和零状态放样几何的确定。由于预应力拱架结构在成形过程中产生大变形,因此对它的理论分析需综合考虑结构的几何非线性和材料非线性。本文利用通用有限元分析软件ANSYS中的APDL语一言,编制了结构找形分析模块,采用牛顿一拉普森方法进行迭代运算,求出零状态的几何参数和初始态预应力分布,并在此基础上实现了连续进行承受外荷载作用下的
5、结构分析。大跨度张弦梁结构是近年来兴起的一种新型大跨度张弦梁结构。它是通过几根受压杆将压弯构件（梁、拱、桁架等）和受拉构件（钢索）连接到一起，同时对索施加一定的预应力，预先使结构产生一定的反拱，待屋面荷载产生后，使结构基本回复到初始形状的一种体外预应力大跨度张弦梁结构。从九十年代初以来，我国也逐渐开始对这种大跨度张弦梁结构进行研究，产生了大量研究成果和诸如上海浦东国际机场候机楼、广州国际会展中心等优秀作品。1.3 研究目的大跨度张弦梁结构当然也存在不可避免的缺点。首先，单向布置的张弦梁在平面内稳定，但在平面外无法保证稳定，所以要加平面外支撑构件，而这些构件往往都采用高强钢索施加拉结，需要将工作
6、面提高到安装高度，使预应力张拉的难度提高，对质量的保证产生了影响；其次，张弦结构所形成的建筑造型及边界条件较为规则，大多为单曲面、多边形、圆形及椭圆等可以用数学公式表达的曲面，对某些现代建筑来说并不适用，但较之网架及桁架已经有了很大的提高。为了更深入的了解张弦梁结构并在今后更好地进行设计工作。本文根据现有文献对某体育馆屋面系统各建筑条件的分析及概念设计,筛选出合适的屋面结构形式张弦梁,并根据以往工程经验及理论研究确定各计算因数将其简化成合理的计算模型, 然后使用 Algor SAP 应用程序对简化模型进行静力、风荷、水平及竖向地震作用的计算分析。找出在线性及几何非线性条件下计算结果的差异和适用
7、条件，选用合理的结果以便确定杆件尺寸,预加应力大小等设计数据。同时对张弦梁的稳定问题加以讨论及分析。以期得到合理的设计成果,并对以后此类问题的设计提出建议。这些方面应该是该结构尚存的一些不足，需要进一步研究、发展，以使其可以得到更广泛的应用。二、研究现状研究现状2.1,国外研究现状 大跨度张弦梁结构最早应用始于八十年代,当时主要集中在日本,进入九十年代后,随着科学技术突飞猛进的发展,新型屋面材料不断涌现,尤其是膜材料的引用,大幅度降低了屋面的自重,从而使张弦梁的受力和稳定性的优势得以充分体现,被大量应用于大跨度大跨度张弦梁结构。在日本，德国等国,从中小跨度到15Om的大跨度结构,以及下雪量大的
8、地区,该结构都有应用。如日本前桥的Maehashi绿色弯顶(168mX122m),日本北九州的Kita.K列shu张弦梁弯顶(61.smXlosm),东京后乐园室内棒球场,日本北九州穴生弯顶,美国斯克山谷奥林匹克冰球馆及南斯拉夫的贝尔格莱德新体育馆。 大跨度张弦梁结构最大的优点就是可以施加预应力以产生反拱，使结构的最终挠度大大减小。这就意味着在最终挠度相同的情况下，结构的矢高与矢跨比都将大大减小，有利于建筑师在工程中对空间的分割与使用；张弦结构的第二个优点就是可以减小用钢量，因为张弦结构最大限度地发挥了钢索的抗拉强度，抗拉及抗压构件物尽其用，从而使结构更加轻巧、经济；张弦结构的第三个优点就是拉
9、索能抵抗压弯构件传来的水平推力，使得支座及下部结构的设计大大简化。张弦梁这种结构看上去同以往的支座间张拉弦的拱一样,通过弦抵消支座的水平推力,提高结构的受力性能。但这两种结构有着本质的不同:“单榀张弦梁结构由拱、张拉弦和撑杆组成，构件组成与常见的拱两端张拉弦的结构完全相同，可是对张拉弦的不同处理，以及撑杆的不同作用使两者的结构性能产生较大差异。两种结构对张拉弦都要预加拉力，使拱产生与使用荷载作用时相反的位移，从而部分抵消使用荷载的作用。单榀张弦梁结构中，由于张拉弦的倾斜，使撑杆受压，即撑杆成为拱的弹性支座，有助于提高拱的稳定性；从受力角度可将单榀张弦梁结构看作是工型梁，拱相当于梁的上翼缘，张拉
10、弦相当于梁的下翼缘，撑杆相当于腹板，三部分配合，共同受力。而以前的拱两端张拉弦的结构，撑杆的作用只是防止张拉弦的下垂，撑杆处受拉状态，增加了拱的受力负担。”这就是两种结构上的根本不同,同样的构件由于不同的组合方式产生了截然不同的效果。2.2,国内研究现状 国内现有的设计和施工技术完全可以胜任,这为BSS结构在我国试点乃至普及提供了必要条件。1997年建成的上海浦东国际机场候机楼,是我国首次将张弦梁结构应用于超大跨结构中,其最大跨度达82.6m,2001年建成的广州国际会展中心采用了张弦析架结构,其最大跨度达到了126.6m,在最近几年,又连续有多个大型场馆采用张弦梁结构:如哈尔滨国际会展体育中
11、心，郑州国际会展中心，深圳会展中心，北京农展馆新馆等,进一步将该结构的发展推向了高潮。张弦梁结构国内外研究现状张弦梁结构的研究在国外已开展多年,并大量应用于工程实例,用线性分析计算了BSS,并给出了BSS实际工程缩尺模型的试验结果、BSS实际工程施工步骤及预应力施加方法;对BSs下弦拉索做了张力控制分析。国内关于张弦梁结构的研究虽然起步较晚,但也有许多学者对其进行了一系列必要的理论分析和试验研究,取得了较多的成果。本节分别对主要内容进行归纳和总结。文献对张弦梁结构进行了系统的理论分析和试验研究,是国内最早研究张弦梁结构的主要文献之一。文献采用几何非线性有限元法建立了该类结构的力学分析模式,推导
12、了梁元、杆元、索元相混合的考虑几何非线性的有限元基本方程式,并编写了相应计算程序;讨论了撑杆数目、垂跨比、高跨比、拱惯性矩和面积。张弦预应力以及拱截面型式等参数对单榻张弦梁结构受力性能的影响,提出了优化方案;基于单榻张弦梁结构的有关特点,提出了改进方案,并对改进方案的合理性进行了考证;提出了将单棍BSS交叉布置的空间双向张弦梁结构形式,详细讨论了其受力性能并与单向张弦梁结构性能进行了对比分析,最后做了相应的模型试验研究。，通过分析研究,将单榻张弦梁结构简化为一次超静定结构,分别求出了位移和内力的解析表达式,并对高(垂)跨比、下弦拉索形式以及截面惯性半径等各种参数对结构性能的影响进行了定性的分析
13、:同文献一样,编制了空间张弦梁结构的几何非线性分析程序,并分析了支座约束条件改变、撑杆与上弦连接形式改变等对结构受力性能的影响;研究分析了张弦梁结构预应力施加原则,通过对上海浦东国际机场施工过程的研究,提出了一种新的施工方案,并与机场工程的施工方案做了比较。文献在以往研究的基础上对张弦梁结构的受力性能及形状确定方法做了进一步的研究,根据文献=川的/逆迭代法0提出了能够用于后续荷载态分析的/改进的逆迭代法0并编制了相应的计算程序;补充研究了单褐张弦梁结构的静力性能,并给出了合理的预应力确定方法;构思了该结构的新形式一折线型张弦梁结构,并对其静力性能和施工方法做了研究和探讨。上边的阐述可以看出,目
14、前国内关于张弦梁结构的研究己经较为系统,在结构的解析解及有限元分析、预应力张拉成形分析、静动力性能研究乃至施工控制等方面均做了较多的工作。四、本文拟解决的问题和具体实施方案目前对于张弦梁的研究和工程实际应用都很多,但是就某些热点部分还存在着争议,也没有形成可行的规范和施工依据。基于此,本文在以下几个方面开展研究工作: 1、对张弦梁的找形进行研究,运用加初始应变的逆迭代法以较高的精度完成了找形工作,满足了实际工程的需要。 2、对张弦梁结构进行预应力优化设计,运用ANSYS参数模块,建立参数化模型,通过控制跨中挠度完成优化分析。 3、本文将对张弦梁结构的静力性能进行弹性大位移分析,通过跟踪结构在半
15、跨分布荷载作用下的平衡路径全过程,明确结构在不同荷载作用下的破坏模态,以及撑杆数目、高跨比、垂跨比及材料弹塑性等因素对结构受力性能的影响,从中得出一些有用的结论。4、张弦梁结构的自振特性分析运用ANSYS模态分析模块,对张弦梁结构进行自振特性研究,即对结构自振频率、振型的分析。通过这些分析,可以从整体上把握张弦梁结构的刚度特征和自振特性,这也为后继谱分析打好基础。5、地震响应分析 运用ANSYS的谱分析模块,明确撑杆数目、高跨比、垂跨比及材料弹塑性等因素对结构地震响应的影响，张弦梁结构找形分析及预应力优化设计在预应力拱架结构的分析中,必须区分其在施加预应力前后的状态,即零状态和初始态。五、 本
16、文主要框架目 录第一章 绪论 1.1 大跨度张弦梁(BSS)的介绍1.1.1 大跨度张弦梁的概念1.1.2 大跨度张弦梁结构的特点1.1.3 大跨度张弦梁的分类1.1.4 国内外成功工程简介1.2 本文拟解决的问题第二章 屋顶结构系统选型及各因数选定2.1 工程概况2.2 屋面结构选型2.2.1 大跨度结构形式地确定 2.3 确定大跨度张弦梁的各计算因数2.3.1 撑杆数目的确定2.3.2 垂跨比的确定2.3.3 拱的截面的确定2.3.4 预应力大小的确定2.3.5 支座条件的确定2.4 试算模型的建立2.4.1 压弯构件 2.4.2 撑杆 2.4.3 索杆2.4.4 节点及边界条件2.4.5 预应力 第三章 大跨度张弦梁结构的动、静力计
