拱形张弦结构分析与受力性能研究

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1、博士学位论文拱形张弦结构分析与受力性能研究Studyonstringstructurewithupward-curvedcable研究生：陈楠导师：赵基达研究员副导师：宋涛研究员学科门类：工学专业：结构工程中国建筑科学研究院二○一五年七月DissertationfortheDoctorDegreeinEngineeringStudyonstringstructurewithupward-curvedcableCandidate：ChenNanSupervisor：Prof.ZhaoJidaVice-Supervisor：Prof.SongTaoDiscipline

2、：EngineeringMajor：StructuralEngineeringChinaAcademyofBuildingResearchJuly2015摘要本文研究的拱形张弦结构包括拱形张弦拱结构与拱形张弦柱面网壳结构，其主要特点为上弦为拱（拱架）或柱面网壳，下弦为上凹型（拱形）悬索。其中，拱形张弦拱结构是平面张弦结构的一种新形式，拱形张弦柱面网壳结构是弦支网壳结构的一种新形式。文章首先对平面张弦结构的发展过程进行了回顾，简述了平面张弦结构体系的结构类型与组成特点，包括下凹式张弦梁、张弦梁(桁架)、张弦拱（拱架）、系杆拱、拱形张弦拱（拱架），并对各自的适用范围进

3、行了讨论。介绍了一些国内外典型平面张弦结构工程，并相应介绍了国内外学者对平面张弦结构的有关研究工作。提出平面张弦结构的一种新形式“拱形张弦拱”，该结构的主要特点为：上弦为拱（拱架），下弦为上凹型悬索，上弦拱与下弦索之间用竖向拉杆连接；仅上弦拱为压弯构件，其余均为拉杆，结构效率更高；结构自平衡，对下部结构无水平推力。与传统两铰拱结构相比，下弦张弦既平衡了拱的水平推力，又有效提高了上弦拱的稳定；与普通张弦拱结构相比，下弦索的上凹有更大的建筑室内空间可以利用，内部视觉也更为明快。因此拱形张弦拱结构特别适用于大跨度公共建筑的屋盖结构。简述了空间张弦结构与弦支网壳的类型及典

4、型空间张弦结构与弦支网壳工程，并介绍了国内外学者对空间张弦结构与弦支网壳工程的研究工作。在深入分析拱形张弦拱结构受力特性的基础上，进一步提出“拱形张弦柱面网壳”这一结构新形式。拱形张弦柱面网壳的特点为：上弦构件为单层柱面网壳，下弦为上凹型悬索，连接上弦单层柱面网壳与下弦索的竖向杆件为拉杆。该结构形式造型美观，下弦索不仅能平衡上弦柱面网壳的水平推力，而且能提高上弦柱面网壳整体稳定，具有较好的工程应用前景。本文以平面拱形张弦拱为重点研究对象，对该结构的的受力性能进行了系统的理论分析。建立索与拱的变形协调方程，导出索力增量与位移关系，用连续化方法给出拱形张弦拱的整体平衡

5、微分方程，采用伽辽金法求得解析解，并与模型试验、非线性有限元分析进行分析比较，证明本文提出的理论公式计算方便、直观精确，可用于拱形张弦拱的分析与计算。对拱形张弦拱的静力性能进行了讨论，包括结构的线性性能、上弦拱的弯曲刚度贡献、挠度与支座水平位移、预应力对结构的影响等方面。推导给出一端弹性水平支承的拱形张弦拱整体平衡微分方程，分析了水平支承刚度对结构静力性能的影响，并与两铰拱进行对比。对拱形张弦I拱平面内的整体稳定性进行了初步研究，与两铰拱的平面内整体稳定做了对比，指出下弦张弦体系对提高结构整体稳定性有很大作用。对拱形张弦拱结构的动力特性进行了分析，研究了拱形张弦拱

6、几何参数变化对其受力性能的影响，给出了拱形张弦拱的合理设计建议。以拱形张弦拱的系统理论研究为基础，对各类平面张弦结构按其结构几何参数（上弦拱的矢跨比、下弦索的垂跨比）的变化，详细讨论与分析比较了各类平面张弦结构的受力特性，包括结构的线性性能、上弦拱的抗弯刚度贡献、不同结构形式的跨中挠度与支座水平位移比较、预应力对结构的控制作用等方面。有关成果对平面张弦结构的研究与设计有较好的指导意义。设计制作了拱形张弦拱结构的三组不同矢（垂）跨比的试验模型，进行了详细的静力与动力性能试验。包括均布荷载、活荷载半跨分布、预应力作用及全跨（半跨）极限承载力试验，进行了结构的自振频率与

7、振型测试。对试验实测数据进行了系统整理，并将试验结果与理论公式及有限元模型对比，验证了理论计算公式的适用性和模型试验结果的正确性。通过有限元计算研究了平面尺度为60m×80m的拱形张弦柱面网壳的静力性能；指出下弦索对平衡柱面网壳水平推力的作用，并重点研究下弦索对提高柱面网壳整体稳定的作用；采用有限元计算了不同几何参数的拱形张弦柱面网壳的静力受力性能与动力特性。根据研究成果，提出拱形张弦柱面网壳工程的设计建议。关键词：拱形张弦结构，拱形张弦拱，平面张弦结构，拱形张弦柱面网壳，模型试验，静力性能，整体稳定，动力特性IIABSTRACTStringstructurewi

8、thupw