考虑拉索抗弯刚度的索穹顶结构力学性能研究.docx

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1、考虑拉索抗弯刚度的索穹顶结构力学性能研究在预应力钢结构中,钢拉索扮演着关键构件的角色,在以往的结构设计中,只考虑其抗拉性能,不考虑抗弯性能。但是随着结构规模的不断加大,钢拉索的直径也在不断增大,因此钢拉索的抗弯性能对结构受力特性的影响也变得不可忽略,必须在结构设计中进一步考虑钢拉索抗弯刚度的影响。基于上述考虑,本文开展了钢拉索抗弯刚度试验研究、劲性支撑索穹顶与常规索穹顶结构静动力试验研究以及极限承载力模拟分析,取得了以下研究成果:（1）通过钢拉索的抗弯刚度测定试验,给出了高钒索和不锈钢索抗弯刚度的取值范围。本文首先利用频率法进行钢拉索的抗弯刚度测定试验,通过测定不同直径的钢拉索的自

2、振特性,以此来计算其抗弯刚度,最终确定出了钢拉索的实际抗弯刚度为（0.37-0.54）EI_max,与钢拉索的预应力状态基本无关。（2）通过静力性能对比试验研究,得出了劲性支撑索穹顶和常规索穹顶结构的静力性能差异。分别设计直径为6m的Levy型劲性支撑索穹顶与常规索穹顶结构试验模型,并对其进行静力特性试验;将试验结果相对比,从而确定两种结构的在静荷载作用下的受力特性差异。试验结果表明:两者结构的内力变化趋势一致,劲性支撑索穹顶结构的竖向刚度明显优于常规索穹顶结构。（3）通过动力特性对比试验研究,得出了劲性支撑索穹顶和常规索穹顶结构的模态性能差异。利用激振器激振法

3、对Levy型劲性支撑索穹顶与常规索穹顶结构试验模型进行动力特性试验,并测得其自振特性。同时利用大型有限元计算软件ABAQUS对两者模型进行有限元数值模拟计算,其中钢拉索的抗弯刚度采用试验测得的抗弯刚度。将试验与数值模拟结果相对比,从而确定两种结构的在动力作用下的自振特性差异。结果表明:试验结果与理论结果拟合良好,二者自振频率的变化趋势一致;荷载作用会改变结构的刚度分布,但是外荷载的作用并不完全等效于结构质量的增加,其对结构刚度会产生复杂的影响;相同预应力状态下Levy型劲性支撑索穹顶结构的刚度比常规索穹顶结构大。（4）通过极限承载力模拟分析,得出了钢拉索抗弯刚度对劲性支撑索穹顶和常

4、规索穹顶结构极限承载力的影响规律。通过ABAQUS利用降温法,提高Levy型劲性支撑索穹顶结构与常规索穹顶结构有限元模型的初始预应力,考虑抗弯刚度对环索外圈钢丝应力极值的影响,模拟分析在低应力以及高应力两种状态下劲性支撑索穹顶和常规索穹顶的极限承载力,分析钢拉索抗弯刚度对其极限承载力的影响。结果表明,在预应力设计过程中,应尽量保证外环索的应力安全余量为内脊索预应力的2倍,这样可以在内脊索失效的同时外环索（杆）同时达到极限拉应力。