后张拉整体成形局部双层柱面网壳节点分析及适用节点刚度研究

摘要

后张拉整体成形网壳是一种新型的空间结构体系形式,是预应力技术在空间结构建造中的创新应用。这种结构体系的原理是:初始体系为单弦杆平板网架,其中的部分下弦杆长度短于下弦节点间距离而留有缝隙,并且设置有内穿张拉钢丝束;施工时通过张拉钢丝束,使下弦杆缝隙逐渐闭合,平板网架逐渐起拱最终成形为空间网壳结构。这种新型空间结构体系将预应力技术引入网壳施工过程,使得网壳的拼装及张拉过程都可以在地面完成,并且平面外腹杆的采用提高了成形后结构的整体稳定性,具有良好的应用前景,但仍有许多关键性问题研究不足,有待解决。
　　本文从促进工程实用化的角度出发,在前人研究的基础上,选用一种正方形平面四棱锥网格平板网架作为初始张拉模型,采用有限元软件Abaqus6.10对后张拉整体成形局部双层柱面网壳的节点适用性进行研究,并进一步提出适用的新型节点。
　　在节点适用性的研究中,本文主要从节点连接方式对于网壳成形形状和张拉初应力的影响这两个方面入手。利用负温度缩短下弦杆的方式来模拟张拉过程,并且考虑几何非线性与材料非线性的影响,对比不同节点连接方式的网架模型。分析结果表明:杆件与节点的连接刚度对于后张拉整体成形网壳的成形形状和成形初应力均有影响,且变化趋势均相同,但对于成形形状的影响较小,对于成形初应力的影响较大;各连接中,与张拉方向同向的上弦杆与节点的连接影响最大。结合前人对局部双层柱面网壳承载阶段的分析,提出适用节点应当满足成形与承载两阶段不同的刚度需要。
　　在适用节点的刚度研究中,本文首先根据适用性的需求,从工程应用出发,提出一种新型刚铰转化空心球节点。这种节点通过构造单向铰来满足张拉阶段节点转动刚度低的需要,成形后将几块连接板焊接起来,达到承载阶段增大刚度的要求。对节点实体进行有限元模拟分析,结果表明:刚铰转化空心球新型节点可以满足网壳两阶段不同的刚度需求;杆件焊接板的连接强度对节点加固后的转动刚度影响最大。在分析结果基础上,用二次正交线性多项式对节点刚度进行了回归分析,得出参考的回归公式。
　　最后,总结本文研究工作,并对后张拉整体成形网壳未来的研究方向进行了展望。

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1. 绪论

1.1 引言

1.2 网壳结构的安装建造方法

1.3 预应力在空间钢结构中的应用

1.4 后张拉整体成形网壳节点研究现状

1.5 本文研究内容

2. 后张拉成形网壳非线性有限元分析理论

2.1 非线性有限元基础理论

2.2有限元软件Abaqus分析要点

3 后张拉整体成形网壳节点连接方式研究

3.1 张拉模型选取

3.2 后张拉网壳有限元模型

3.3 考虑节点连接的成形阶段分析

3.4 本章小结

4 适用新型节点的刚度研究

4.1 节点适用性

4.2 刚铰转化空心球节点的提出

4.3 节点刚度的有限元分析

4.4 本章小结

5. 结论与展望

5.1 本文主要结论

5.2 不足与展望

致谢

参考文献

附录 硕士研究生学习阶段研究成果