弦支穹顶结构抗火极限承载力分析
弦支穹顶结构报告
摘要随着现代社会的发展和人类生活水平的提高，人们对于大跨度空间的需求越来越多，代表性场所包括体育馆、会展中心、博物馆、候机厅、影剧院、飞机库和车站等。
传统的平面结构如梁、拱、桁架和钢架等，受其结构特性的限制，很难覆盖较大的空间。
而空间结构正好能满足大跨度建筑要求的结构形式，它不仅受力合理，而且能做出各种优美的建筑造型。
其中最常用的空间结构—弦支穹顶结构由于在2008年奥运会和2009年全国运动会的应用，使弦支穹顶结构成为新结构体系的一颗明星。
凭借其合理的传力机制、美观的建筑效果和经济的工程造价，弦支穹顶结构已经得到中国科研、教学、设计、施工等业界的认可，在实际工程应用中，无论是数量还是跨度上，都为世界之最。
弦支穹顶最早由日本政法大学Mamoru Kawaguchi 教授于1993年提出。
弦支穹顶结构又称之为索承网壳结构，是传统的单层或双层网壳结构和索穹顶结构结合的衍生物，它综合了单层网壳和索穹顶结构优良性能于一体，是一个由单层或双层网壳代替索穹顶的上层索网后形成的一种新型杂交结构。
弦支穹顶结构通过下层索系、上层刚性网壳和竖向撑杆共同工作而承受外部荷载，结构通过对下层索系（径向索和环向索）施加预应力而为结构提供足够的竖向刚度，并在结构内形成水平作用自平衡的结构体系。
它一方面改善了上部单层网壳结构的整体稳定性，使结构能跨越更大的空间；另一方面，弦支穹顶结构具有一定初始刚度，其设计、施工成形以及节点构造与索穹顶等完全柔性结构相比得到了较大的简化。
另外，两种结构体系对支座的作用相互抵消，使结构成为自平衡体系，在充分发挥单层网壳结构受力优势的同时能充分利用索材的高强抗拉性，调整体系的内力分布，降低内力幅值，从而提高结构的承载能力。
本文共分为三个部分，第一部分主要介绍了弦支穹顶的发展历史；第二章主要介绍弦支穹顶的发展现状并列举了大量的国内外弦支穹顶工程应用实例；第三章主要介绍弦支穹顶需要解决的问题。
关键词：（弦支穹顶、网壳、索穹顶、预应力）目录摘要 (1)1弦支穹顶的发展历史 (1)1.1预应力钢结构 (1)1.2单层网壳 (3)1.3双层网壳 (4)1.4索穹顶结构 (4)1.5弦支穹顶结构的提出 (6)2弦支穹顶的发展现状 (7)2.1弦支穹顶的基本概念 (7)2.1.1弦支穹顶结构的组成 (7)2.1.2弦支穹顶结构的原理 (7)2.1.3弦支穹顶结构的特点 (8)2.2弦支穹顶的分类 (10)2.2.1肋环形弦支穹顶 (10)2.2.2施威德勒型弦支穹顶 (10)2.2.3联方型弦支穹顶 (11)2.2.4凯威特型弦支穹顶 (11)2.2.5凯威特—联方型弦支穹顶 (12)2.2.6三向网格弦支穹顶 (12)2.3弦支穹顶的研究现状 (13)2.3.1弦支穹顶结构形态分析 (13)2.3.2弦支穹顶结构预应力的设置 (13)2.3.3弦支穹顶结构的静动力分析 (14)2.3.4弦支穹顶结构施工过程全分析 (16)2.3.5弦支穹顶结构试验研究 (18)2.4弦支穹顶的工程应用 (18)2.4.1光丘穹顶 (19)2.4.2聚会穹顶 (20)2.4.3天津保税区商务中心大堂屋盖 (20)2.4.4天津博物馆贵宾厅屋盖 (21)2.4.5常州体育馆 (21)2.4.6 2008年奥运会羽毛球馆屋盖 (22)2.4.7 武汉市体育中心体育馆 (23)2.4.8 济南奥体中心体育馆 (24)2.4.9 安徽大学体育馆 (25)2.4.10 辽宁营口体育馆 (25)2.4.11山东茌平体育馆 (26)2.4.12三亚体育中心体育馆 (27)2.4.13重庆渝北体育馆 (27)2.4.14大连市体育馆 (28)3弦支穹顶存在的问题 (30)3.1网壳网格形式与尺寸确定 (30)3.2风荷载对弦支穹顶的影响 (30)3.3弦支穹顶的张拉方案 (31)3.4弦支穹顶的预应力 (31)3.5弦支穹顶结构温度效应研究 (31)3.6弦支穹顶结构节点设计研究 (31)3.7弦支穹顶结构索滑移模拟研究 (32)3.8超大跨度弦支穹顶结构的设计研究 (32)3.9弦支穹顶结构索力的测试及其补偿技术研究 (32)参考文献 (33)1弦支穹顶的发展历史弦支穹顶结构是由上层单层球面网壳和下层环索、斜索通过竖杆连接，索由网壳节点连接到悬挂于单层球面网壳的竖杆的下端而成的新型交空间结构。
几个大跨度弦支穹顶结构的比较与分析
几个大跨度弦支穹顶结构的比较与分析汇报内容一、弦支穹顶的结构特点二、结构组成对比与分析三、施工方案对比与分析四、小结一、弦支穹顶的结构特点结构特点弦支穹顶结构又称之为索承网壳结构，是传统的单层或双层网壳结构和索穹顶结构结合的衍生物，它综合了单层网壳和索穹顶结构优良性能于一体，是一个由单层或双层网壳代替索穹顶的上层索网后形成的一种新型杂交结构。
弦支穹顶结构通过下层索系、上层刚性网壳和竖向撑杆共同工作而承受外部荷载，结构通过对下层索系（径向索和环向索）施加预应力而为结构提供足够的竖向刚度，并在结构内形成水平作用自平衡的结构体系。
二、结构组成对比与分析典型工程近几年来国内对弦支穹顶结构进行了比较多的理论分析和试验研究，已经建成的弦支穹顶结构也不少，近几年建成的有：武汉体育中心体育馆(115X135m)、济南奥体中心体育馆（122m)、常州体育会展中心体育馆(120X80m)、北京工业大学体育馆（93m）、三亚体育中心体育馆（76m）、安徽大学体育馆(76.2m）等，我有幸参与了其中四个工程的施工。
这里将对其中体系、外形、施工方法上均有代表性的三个工程的施工技术做一个简要介绍。
安徽大学体育馆钢屋盖平面为边长44m的正六边形，对边距离为76.2m，正六边形柱网外接圆直径为88m，最大挑檐长度6m，屋盖最大高度11.55m；屋盖中央设置边长12m正六边形的采光玻璃天窗。
屋盖上层为箱型构件的正交正放网壳（中间采光顶为凯威特型），下层索系为4道环索、6道径索和撑杆组成，六边形的每边设置6个支座，在采光顶的正六边形周围和结构外沿正六边形周围分别各设置了一圈封闭的三管桁架，外沿的封闭桁架。
以人为本科技为先精工钢构集团JINGGONG STEEL GROUP 安徽大学体育馆斜拉杆斜脊梁撑杆环索以人为本科技为先安徽大学体育馆＋＋单层网壳支承索系与撑杆边缘支撑构件以人为本科技为先常州体育馆体育馆平面为椭圆形，长轴为120米，短轴80米，屋盖矢高23米。
弦支穹顶专项报告
光丘穹顶
世界上第一个弦支穹顶-光球穹顶，该穹顶跨度为 35m，最大高 度14m，总质量130t ，上层网壳采用由工字形钢梁组成的联方型网格 划分方式。光丘穹顶只在单层网壳的最外层下部组合了张拉整体结构 ，而且采用了钢杆代替径向拉索，通过对钢杆施加预应力，使结构在 长期荷载作用下对周边环梁的作用力为零。环梁下端由 V 形钢柱相连, 钢柱的柱头和柱脚采用铰接形式，从而使屋顶在温度荷载作用下沿径 向可以自由变形。
光丘穹顶
聚会穹顶
继光球穹顶之后，1997年3月日本长野 又建成了另一个弦支穹顶—聚会穹顶，也由 川口卫设计。穹顶跨度为46m，屋盖高度为 16m。整个弦支穹顶支撑在周圈钢柱上，钢 柱与下部钢筋混凝土框架连接。
聚会穹顶
天津保税区商务中心大堂屋盖
该穹顶结构跨度35.4m，矢高4.6m；上部单层网壳部 分采用联方型网格，杆件全部采用 , 133×6；撑杆采用, 89×4。下部张拉整体部分共布置 5 道， 由外及里前两道 采用钢丝绳, 6×19，后三道采用钢丝绳, 6×19。沿径向 划分为5个网格，外圈环向划分为32个网格，到中心缩减 为8个，弦支穹顶周边支承于沿圆周布置的15根钢筋混凝 土柱及柱顶圈梁之上。
目前世界上最大跨度的单层网壳是1997年 建成的日本名古屋穹顶，建筑直径为229.6m， 结构直径为187.2m，采用三向网格，节点为 能承受轴力和弯矩的刚性节点。
日本名古屋穹顶
1.3双层网壳
为了解决单层球面网壳的稳定性问题， 可通过双层网壳来增加结构的抗弯刚度， 与单层网壳相比，双层网壳克服了壳外刚 度弱的缺点，其对初始缺陷的影响不再敏 感，结构的稳定性得到了较大提高，因而 使得结构可以跨越更大的跨度，但是双层 网壳杆件稠密，随着跨度的增大，自重会 导致周边环梁产生更大的拉力，用钢指标 及工程造价较高。
大学体育馆弦支穹顶钢结构屋盖的分析与设计
3.3 荷载态的弹性设计计算
✓考虑了14个大类的荷载组合 。当恒荷载起有利作用时，其分项系数取为1.0；温度的分项系数1.0， 组合系数0.7。各个组合中均已包括了1.0倍的预应力作用： (1) 1.0结构自重（即预应力初始态） (2) 1.2恒+1.4雪 (3) 1.2恒+1.4风 (4) 1.2恒+1.0温 (5) 1.2恒+1.4雪+1.4×0.6风 (6) 1.2恒+1.4风+1.4×0.7雪 (7) 1.2恒+1.4雪+0.7温（升温时取活） (8) 1.2恒+1.0温+1.4×0.7雪（升温时取活） (9) 1.2恒+1.4风+0.7温 (10) 1.2恒+1.0温+1.4×0.6风 (11) 1.2恒+1.4雪+1.4×0.6风+0.7降温 (12) 1.2恒+1.4风+1.4×0.7雪+0.7降温 (13) 1.2恒+1.0降温+1.4×0.6风+1.4×0.7雪 (14) 1.2（恒+0.5雪）+1.3水平地震
某大学体育馆弦支穹顶 屋盖的分析与设计
主要内容
1. 工程概况 2. 结构体系与结构布置 3. 结构静力与动力计算分析 4. 静力弹塑性极限承载力计算分析 5. 节点设计 6. 施工张拉过程的仿真计算 7. 结语
2
1. 工程概况
钻石形建筑造型； 正六边形柱网外接圆直径87.757m，最 大挑檐长度6m，屋盖总高度11.55m； 矢跨比1/8.6； 屋面坡度12度，局部凸屋面15度； 屋盖中央设置正六边形的采光玻璃天窗， 外接圆直径24m。
第8振型表现为整体环向振动，周期为T8＝0.77s
弦支穹顶结构研究综述
0 引言
随着社会的进步和人们生活水平的提高，对大跨 度空间的需求也日益增加。单层网壳依靠自身造型优 美、技术成熟和施工方便等优点，在中小跨度的工程中 广泛应用，但是其壳外刚度较弱，结构对初始缺陷非常 敏感，使得稳定性成为设计的控制因素，而且单层网壳 对支座有较大的水平推力，因此其在大跨度结构中应 用受到一定的限制［1］。与单层网壳相比，双层网壳克
建 筑 结 构 学 报（ 增刊 1） Journal of Building Structures（ Supplementary Issue 1）
弦支穹顶结构研究综述
弦支穹顶结构设计分析_彭添
5! 工程概况 三亚市中等职业技术学校二 三亚市体育中心 ! 期场馆 " 位于海南 省 三 亚 市 # 西 临 师 部 农 场 路# 南接 金鸡岭路 # 东靠东岸北路 # 北侧为技术学院一期工程 由体育馆 & 体育场 & 游泳馆三部分组成 # 是三亚 用地 # 市及职业学校新校区的标志性建筑群 % 体育馆总建
筑场地周围为 E 类地貌 " 结构的 风振系 数取为 0 3# 由于屋盖结构体型 相 对 复 杂 " 要获取准确的结构风 压分布需要进行风洞试验 # 8 7 9! 地震作用 三亚市抗震设防烈度为 1 度 ( ! " 地震分组 / / 3 : 为第一组 " 场地类别为 # 类 # 8 7 :! 温度作用 使用阶段温差取 U. 3 V# 9 ! 弦支穹顶结构初始态计算 由于 结 构 形 式 的 特 点 " 初始预张力对弦支穹顶 的内力和初始变形 影 响 较 大 " 如何合理确定初始预 张力是索 结 构 设 计 中 的 关 键 环 节 # 本 结 构 在 分 析 时" 综合考虑以下因素 & ! 在各可能工况下 " 索应保持拉力 " 并有一定安 0 全储备 " 且不超过规定的应力比 # ! 过小的预张力可能使索在某些荷载组合下退 . 出工作 " 处于松弛状态 #
! 2 % ) * ! , )’ ? 7 #( * ( # ’ 9 & A #, (8" #& B( 8 " , 8 $( " ) * + " * ) #+ & A & ( # 9& B" 7 #( , ’ $ # C $ 8 # ) # 9: ) , 9( 7 # $ $8 ’ 9" 7 # @ = @ @ @ : = " " 7 #$ & 8 9 , ’ # 7 8 < , & )& B " 7 #( * ( # ’ 9 & A # ) # ( " ) # ( ( # 9+ 8 D $ # C ( " ) * " ( ( " # A -E 8 ( # 9& ’" 7 #9 # ( , ’& B8: A ’ 8 ( , * A) & & B :D @ @ = : = " " " 7 8 (D # # ’ , ’ < # ( " , 8 " # 9 , ’" 7 , (@ 8 # ) , ’ + $ * 9 , ’ 7 # , ’ , " , 8 $ ( " 8 " #8 ’ 8 $ ( , ( $ & 8 9( " 8 " #8 ’ 8 $ ( , ( 8 (F # $ $ 8 (( # , ( A , +8 + " , & ’ : @ :" = = " 8 ’ 8 $ ( , ( -? 7 #@ ) & + # ( (& B " 7 #9 # ( , ’& B " 7 #( * ( # ’ 9 & A #7 8 (D # # ’8 ’ 8 $ G # 9 8 ’ 9" 7 #< 8 $ * # (& B@ ) # ( " ) # ( ( , ’" 7 #+ 8 D $ # ( = : @ = F # ) #9 # ( , ’ # 9 -? 7 #) # ( * $ " (, ’ 9 , + 8 " #" 7 8 "" 7 , (B & ) A& B( * ( # ’ 9 & A #7 8 (: & & 9$ & 8 9 , ’ # ) B & ) A 8 ’ + #8 ’ 9# + & ’ & A , + : @ :@ " # B B , + , # ’ + 8 ’ 9+ 8 ’A # # " " 7 #) # * , ) # A # ’ " (& B " 7 #A & 9 # $ $ , ’ B 8 ’8 ) + 7 , " # + " * ) # = H :& ’ $ $ $ 3 . $ 4’ * %( * ( # ’ 9 & A #, ’ , " , 8 $ ( " 8 " #$ & 8 9( " 8 " #( # , ( A , +8 + " , & ’ @
凯威特—联方型弦支穹顶结构静力性能及稳定性分析
凯威特—联方型弦支穹顶结构静力性能及稳定性分析
弦支穹顶结构结合了索穹顶和张弦结构的思想,将索穹顶的柔性上弦用刚性的单层网壳替代而形成杂交空间结构体系。
该结构体系受力合理,综合了张弦结构和单层网壳的优点,在大跨度空间结构领域有着广阔的应用前景。
本文针对凯威特—联方型弦支穹顶结构提出了以下主要研究内容:以非线性有限单元法为理论基础,应用大型结构有限元软件SAP2000,对典型的凯威特—联方型弦支穹顶
结构的静力性能进行计算分析,并将结果与对应的单层网壳的计算结果进行比较,从而掌握运用SAP2000对弦支穹顶结构进行静力分析的方法,了解弦支穹顶结构的基本受力特性及其较单层网壳的优越性。
对凯威特—联方型弦支穹顶结构进行参数分析。
通过结构在不同矢跨比、撑杆高度、预应力以及上部网壳节点形式下其径向支座反力、节点竖向位移以及构件内力的变化,来研究各种参数对弦支穹顶结构的影响规律。
对凯威特—联方型弦支穹顶结构进行静力稳定性分析。
从结构的特征值屈曲出发,对结构进行线性和几何非线性屈曲分析。
分析结果表明,弦支穹顶的极限承载力较单层网壳有了大幅提高;提出了本文所研究的凯威特—联方型弦支穹顶的建议矢跨比、撑杆高度、预应力以及上部网壳节点形式;针对结构顶点发生失稳而导致结构的极限承载力无法最大限度发挥的问题,提出了在结构顶点下部设置撑杆和径向拉索的解决方案。
最后,提出对弦支穹顶结构应用中有待进一步研究的问题,并对该结构体系的后续研究进行展望。
济南奥体中心体育馆弦支穹顶结构设计
第4期
张志宏, 等: 济南奥体中心体育馆弦支穹顶结构设计
9
图 1 整体结构三维计算模型图 F ig. 1 Schematic of the integral st ructur e
文献[ 3] [ 4] 对肋环型和凯威特型弦支穹顶的理 论分析方法、力学性能及预应力的确定和优化等做了 进一步的分析, 并提出了局部分析法和相容性等方法 和理论问题. 文献[ 5] 也对凯威特型弦支穹顶静动力 性能进行了研究. 文献[ 6] 认为预应力网壳结构的预 应力拉索可改善网壳的受力状态, 有效地控制支座处 的水平推动力, 增加结构体系的整体刚度, 提高结构 的承载能力和稳定性, 其机理是预应力有效地控制了 网壳的变形. 因此预应力拉索的布置和预应力设计 应满足控制网壳的变形这一原则. 文献[ 7] 以天津博 物馆贵宾厅屋盖为工程背景, 提出并设计了刚性杆弦 支穹顶结构, 设计了实物加载试验方案, 对该刚性杆 弦支穹顶进行了静载试验研究, 得到了刚性杆弦支 穹顶结构内力及位移随加载历程的变化规律.
Abstr act: A suspen2dome suppot red by concret e frame and canist er below is adopted in t he Jinan Olympic Cent er Gymnasium. Suspen2dome is a novel hybrid spatial str uct ure which is composed of t he upper single2 layer lat t iced shel l and t he lower cabl e2st ruts. A br ief inst ruct ion of t he str uct ural is present ed first . T hen the load analysis, modal analysis, linear and nonlinear buckling analysis of the suspen2dome are descirbed. The cable breaking anlysis of t he st ruct ur e is also carried out in order t o prevent cont inue collcapse. Con2 t rolling paramet ers in each const ruct ion st ep of t he suspen2dome are listed. Performance of t he int egral st ruct ure is also checked. Key words: suspen2dome; nonlinear buckling; cable br eaking; const ruct ion animat ion
凯威特-葵花型弦支穹顶结构的模态分析研究
凯威特-葵花型弦支穹顶结构的模态分析研究摘要：弦支穹顶结构是一种优良的结构体系，综合合了网壳结构与索穹顶结构的优点，详细分析了结构的自振特性以及影响结构自振特性的各类参数。
研究表明，质量是影响结构自振的直接因素之一；预应力的有无对结构自振特性影响明显；边界条件也是直接影响结构自振频率大小的因素。
关键词：弦支穹顶结构，自振特性，预应力，边界条件弦支穹顶结构是基于张拉整体概念而产生的一种半刚性异钢种预应力空间结构。
典型的弦支穹顶结构体系是由上部单层网壳、下部撑杆、径向拉杆或者拉索和环向索组成；有效的改善了单层网壳的整体稳定性，使结构可以实现更大空间跨度的造型[1]。
结构跨度的增大，对于结构自身的稳定性以及抗震性能要求会更加严格。
结构在地震作用下的响应不仅仅与地震作用本身有关，还与结构自身的自振特性有着非常密切的关系。
因此对弦支穹顶结构进行自振特性分析具有重要意义[2]。
1 计算模型基南市某体育馆屋盖结构，跨度为121.5米，矢高为12.2米，采用弦支穹顶结构；上部网壳采用凯威特-葵花型内外混合布置；下部弦支索杆体系为肋环型布置，设置有三道环索，局部设置构造钢棒，其中撑杆采用圆钢管，上下端铰接[3] 。
2 结构模态分析基于ANSYS有限元分析软件的模态分析用于分析结构的固有振动特性，确定具体结构的固有频率和振型，分析结果可以作为承受动力荷载的结构进行瞬态分析的基础以及地震谐响应分析和谱分析的起点。
ANSYS的模态分析实质是计算结构的振动方程的特征值以及特征向量。
根据模态分析的结果，对被测评结构进行直接的动态性能评估[4]。
弦支穹顶结构属于预应力结构，其模态分析除了首先要通过静力分析把荷载产生的预应力加到结构上，其他分析过程与一般模态分析基本一致。
单层网壳结构采用beam4单元，撑杆采用link8单元，拉索采用link10单元。
对体育馆屋盖的弦支穹顶结构进行模态分析，提取结构前16阶的自振频率，分别为：2.7296，2.7434，2.7627，2.7798，2.8632，2.8656，2.8922，2.8940，2.9189，2.9190，2.9279，2.9308，2.9408，3.0056，3.0456，3.2049。
施工误差对弦支穹顶结构性能的影响分析
四川建筑 第 39 卷 2 期 2019. 4
281
· 施工技术与测量技术 ·
上部网壳结构的连接 通 过 销 相 连，环 向 索 通 过 索 － 杆 铸 钢 节 点与撑杆相连，支座采用焊接球节点。通过 ANSYS 软件对 结构 进 行 建 模 时，上 部 网 壳 结 构 杆 件 均 采 用 梁 单 元 BEAM188 模拟，下 部 索 撑 体 系 中 撑 杆 和 径 向 拉 杆 则 采 用 LINK8 单元模拟，环向索施加预应力且具有只拉不压的特点 则采用 LINK10 杆单元模拟环向索。弦支穹顶结构有限元模 型的约束采用径向释放的双铰支座来模拟结构的边界条件。
知在 1 000 次抽样过程中随机缺陷分布模式下最小的承载力 为 11．524 kN / m2 ，理想状态弦支穹顶结构的最大承载能力为 18．224 kN / m2 ，由此可知抽样中最不利的节点定位偏差分布
模式下，相较与理想状态的弦支穹顶结构极限承载力下降率
为 36．76 %。且只要发生节点定位偏差，便会对弦支穹顶结
【关键词】 弦支穹顶； 初始缺陷； 节点误差； 预应力损失
【中图分类号】 TU393．3
【文献标志码】 A
基于张拉整体思想提出的弦支穹顶结构由上部单层网 壳和下部索撑体系两部分子结构组合而成（ 图 1） 。在安装 过程中可能出现的安装误差包括节点位置定位偏差、杆件初 弯曲和初偏心、杆件尺寸及截面尺寸偏差、杆件安装初始应 力等［1］。下部索撑体系由于预应力张力施工工程中张拉设 备和索力测量系统的局限性，预应力实际值与预应力设计值 存在不可避免的误差［2］。单层网壳结构对初始缺陷甚为敏 感，索撑体 系 需 施 加 合 理 预 应 力 后 方 能 发 挥 结 构 优 势。 因 此，施工过程中的各种误差引起的网壳初始缺陷和索撑体系 的预应力偏差，必将对结构造成不容忽视的影响。
综述弦支穹顶结构施工
综述弦支穹顶结构施工前言随着跨度的增加，预应力的张拉工作量也会相应的有所增大。
穹顶结构的外型将对结构的静力性状、刚度极限承载力以及结构的耗钢量产生直接影响。
在确定几何外型时，可以从以下几个因素进行考虑：第一，穹顶跨度、工艺设备和建筑体型要求。
第二，结构的刚度、矢跨比、肋的倾角等设计制作安装具体要求。
对于直径为100M的肋环式穹顶结构可以采用穹顶结构落地斜基础支承形式，固定铰接支座的方案，由单片的格构式杆件组合成为整个穹顶的径向肋和环向肋，上、下弦采用扁放工字钢；将钢管腹杆，与上、下弦采用无节点板进行对接焊接。
采用此种焊接，工作量少、用钢量省、外形美观屋面采用压型钢板覆盖，呈多棱形式径向肋和环向肋等构件均在加工厂分段制作，然后运至现场用高强螺栓拼装成型。
本文着重讨论弦支穹顶结构施工技术在实际应用中的一些问题。
一、弦支穹顶结构施工技术分析对于弦支穹顶结构而言，受到拉索构件的影响，整个弦支穹顶结构施工过程当中的力学性能与使用阶段力学性能表现出了较为显著的差异性。
而改变此问题的关键在于针对弦支穹顶结构施工全过程进行精确的模拟分析，在当前技术条件支持下，弦支穹顶结构施工应用最普遍与成熟的方式即为张拉预应力索结構施工技术，这一点是毫无疑问的。
换句话来说，弦支穹顶结构施工阶段分析的重点内容在于对张拉全过程的分析。
然而当前的实际情况在于：相关研究学者有关张拉过程的分析并未能够深入考虑施工全过程模拟相对于施工工艺的影响，并且有关张拉机理的研究也存在较为显著的缺失，以上问题均直接导致了所确定拉张模拟算法无法完全与工程实际相契合。
本文基于对弦支穹顶结构施工技术的分析，提出了包括施工顺序、预应力张拉施加形式、临时支撑系统以及预应力张拉形式在内的四大关键施工环节模拟参数，并借助于有限元分析方式构建相应的时变模型与计算程序，现对其做详细分析与说明。
大量工程实践研究结果表明：从某种角度上来说，弦支穹顶结构施工阶段的受力状态与施工技术存在着极为密切的联系，针对施工阶段张拉全过程进行模拟分析的前提在于对现阶段弦支穹顶结构施工技术做出合理分析与研究。
局部火灾下凯威特联方型弦支穹顶结构破坏模式分析
提出了基于材料性能和结构参 数的优化设计方法，提高了该 结构在火灾中的稳定性。
研究不足与展望
01
虽然本文取得了一定的研究成果，但试验和数值模拟仍存在局 限性，未能完全模拟真实火灾环境。
02
在研究过程中，未能对该结构的耐火性能进行系统研究，未来
可进一步探讨其耐火极限和性能评估。
应加强该结构在火灾后的修复和加固技术的研究，以完善其全
能表现尚不明确。
研究该结构的火灾性能对提高结 构安全性和减少火灾损失具有重
要意义。
研究目的和方法
研究目的
分析局部火灾下凯威特联方型弦支穹顶结构的破坏模式，评估其性能，为结构 设计提供参考。
研究方法
采用试验和数值模拟相结合的方法，对局部火灾下凯威特联方型弦支穹顶结构 进行模拟和分析，同时进行对比研究。
日期:
局部火灾下凯威特联方型弦支穹顶 结构破坏汇报模人： 式分析
目 录
• 引言 • 凯威特联方型弦支穹顶结构概述 • 局部火灾下结构破坏模式分析 • 数值模拟与结果分析 • 结论与展望 • 参考文献
01
引言
研究背景与意义
火灾是常见的灾害之一，对人类 生命财产安全具有严重威胁。
凯威特联方型弦支穹顶结构是一 种新型空间结构，具有较好的抗 震、抗风性能，但在火灾下的性
对模型进行高温下的力学性能 测试，包括强度、刚度和稳定 性等方面；
分析结构在火灾后的破坏模式 ，提出修复和加固方案；
通过对比研究，评估局部火灾 对凯威特联方型弦支穹顶结构 的影响。
02
凯威特联方型弦支穹顶结构概述
结构特点
01
02
03
空间跨度大
凯威特联方型弦支穹顶结 构通常具有较大的空间跨 度，能够提供宽敞的内部 空间。
穹顶圆柱体结构试验分析及评估方法的探讨
穹顶圆柱体结构试验分析及评估方法的探讨以《穹顶圆柱体结构试验分析及评估方法的探讨》为标题，本文旨在探讨穹顶圆柱体结构的试验分析及评估方法，以及如何应用这些方法来加强结构的性能和稳定性。
作为穹顶形结构的一种，穹顶圆柱体结构具有较大的抗震能力，抗风性能也较强，可以用于地铁、桥梁、大型厂房等重要建筑物的支撑结构。
由于其结构复杂，建设成本较高，因此，试验分析是提高建筑物的安全性和工程性能的重要手段。
穹顶圆柱体结构受到各种外力的作用，其复杂性决定了很难采用传统的力学分析方法进行准确计算。
在实验试验中，能够准确反映结构的状态，也是评估穹顶形结构强度和稳定性的重要手段。
穹顶圆柱体结构试验主要包括抗压、抗拉、抗剪和抗弯等四种，从而对结构进行完整的实验分析。
抗压试验是穹顶圆柱体结构的重要组成部分，可以确定结构的抗压能力，该试验可以应用于结构的各个组成部分，包括支撑柱和横梁，以及穹顶圆柱体结构内部的墙体等。
在抗压试验中，模型样本被置于两个设备之间，模型样本在被施加载荷时，形状的变化可以反映出结构的屈服强度和破坏点。
穹顶圆柱体结构的抗拉和抗剪试验评估了结构支撑组件的抗拉强度和抗剪强度，以及穹顶形结构的抗拉和抗剪能力。
实验中，模型样本被置于双臂设备中，通过屈服强度和断裂点及断裂点之前的形状变化可以清晰地表现出结构的抗拉和抗剪能力。
抗弯试验是评估穹顶形结构的重要手段，可以确定结构的抗弯强度和稳定性。
在实验中，样品被施加以巨大的弯曲力，从而引起应变，从而评估结构的抗弯性能。
穹顶圆柱体结构的加固是提高建筑结构安全性和稳定性的重要手段。
一般情况下，结构加固可以通过更换或加固现有结构支撑元件，或是加塞增钢和改变结构构成元件的节点形式等来实现。
可以使用实验分析和力学分析的结果进行结构加固，以确保加固实施的正确性。
本文就穹顶圆柱体结构试验分析及评估方法的探讨进行了介绍，以及如何利用这些方法来加强结构安全性和稳定性。
通过试验分析，可以准确地测定结构的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度，把握结构的破坏点和变形量，总结结构受外力作用时的变形特性。
w6b[建筑]弦支穹顶结构极限承载力研究
![w6b[建筑]弦支穹顶结构极限承载力研究](https://img.taocdn.com/s3/m/47be734676232f60ddccda38376baf1ffc4fe3be.png)
弦支穹顶结构极限承载力研究陈小培1, 李亚侠2, 曹正罡1(11哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090;21黑龙江寒地建筑勘察设计有限公司, 哈尔滨 150080) 【摘 要】 选用跨度为40m K 6型弦支穹顶结构,利用大型有限元分析软件ANSY S 和ABAQUS ,对该新型结构进行了稳定性能分析,并采用了非线性有限元的方法对影响极限承载力的参数,如矢跨比、撑杆高度、拉索预应力、拉索布置方式等进行了分析,得出了一些对工程有意义的结论。
【关键词】 K 6型弦支穹顶;稳定分析;极限承载力【中图分类号】 T U39313 【文献标识码】 A 【文章编号】 1001-6864(2007)05-0083-02E LASTIC -P LASTIC U LTIMATE CAPACIT Y OF SUSPEN DE D DOMECHE N X iao -pei 1, Ll Y a -xia 2, C AO Zheng -gang1(1.Department of Civil Engineering ,Harbin Institute of T echnology ,Harbin 150090,China ;2.Heilongjiang C old Region Architectural Survey and Design C o.Ltd.,Harbin 150080,China ) Abstract :The structural stability behavior of suspended dome is theoretically investigated by em ploying acom putation m odel of the K iewitt suspended dome with a span of 40m.ANSY S and ABAQUS were used in the investigation.The structural parameters that in fluence the structural ultimate load -carrying capacity such as rise to span ratio ,heights of struts ,numberof cable rings and prestresses of cables were analyzed.S ome valuable conclusions are drawn for the mechanical analysis and practical design.K ey w ords :K iewitt suspended dome ;stability analysis ;ultimate load carrying capacity 随着社会的进步和人们生活水平的提高,人们对生存环境有了更高的要求,于是一些新型的结构形式得到了重视和发展。
基于大空间空气升温模型的弦支穹顶结构抗火反应非线性有限元分析_张爱林
&\% ’ & 单元 " !\% % & 单元 " $\% % " 单元 " %\% & $ 单元 " U\$ ’ N 单元 " N\$ " ! 单元 " O\& ! # & 单元 图 $! 大空间空气升温模型
: > :! 火灾时构件的力学特性 火灾下钢材的热物理性能如 ’ 热膨胀系数 # 比热 容# 导热系数 # 密度 # 泊松比等参数基本上随温度的 升高变化不 大 & 但 其 热 力 学 性 能’ 弹 性 模 量# 应力G 应变关系随温度的升高有很大的变化 ! 索的热力学 性能随温度的升高也发生变化 ! 高温下索的弹性模量 ’
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&\ 空气标准升温 " !\ 构件标准升温 图 !! 标准升温曲线模型
-距 火 源 中 心 水 平 距 离 2 的 温 度 ! -无量纲 ) " 衰减系数 ( - 时间 & " / !#- 火源 中 心 点 至 火 源 最 外 边 缘 距 ! !离& 当 2* 6& !时& -a&" 系数 " !’ - 火灾发生前的环境 温度 & 一 般取 B>( ") ! " k! 经分 析 发 现 ’ 影响高大空间建筑火灾空气升温 的主要因 素 有 ’ 火源释热率( 功 率) 最 大 值# 建筑面 积# 建筑高度 # 距火源距离 ! : > 8 > :! 高大空间建 筑 升 温 模 型 与 传 统 升 温 曲 线 模 型的比较 标 准 升 温 曲 线 模 型 只 适 用 于 较 小 空 间 的 结 构& 且各构件升温过程是一致的 ! 如果用于大空间结构 会严重偏离其真实的受火情况 ! 高大空间空气升温 模型是经过对真实 火 灾 场 景 进 行 模 拟 & 最终回归出 N ’
茌平体育馆弦支穹顶叠合拱复合结构抗火性能分析
66 近年来"随着 空 间 结 构 在 社 会 各 个 领 域 的 广 泛 应用以及使用寿命的增长"空间结构中火灾事故也 逐年上升"造 成 了 严 重 的 经 济 损 失 和 人 员 伤 亡" 如 4551 年布鲁塞尔国际机场发生火灾而坍塌"损失达 数十亿欧元% 因此空间结构抗火理论与技术已成为 土木工程领域关注的热点问题%
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杨帆研究某体育馆钢屋盖在局部高温作用及冷却过 程的受力性能"发现高温使部分结构构件屈服’产生 塑性变形(33) % 史 健 勇 等 结 合 工 程 实 例 对 大 空 间 结 构火灾场景设置’空 间 温 度 场 及 结 构 温 度 场 模 拟 等 一系列问题进 行 了 系 统 的 阐 述(34) % 白 音 对 7 种 不 同结构形式的预应力钢结构在高温作用下的响应进 行理论 分 析" 并 推 导 了 结 构 抗 火 设 计 计 算 式(37) % +LN" 研 究 了 不 同 节 点 形 式 的 桁 架 结 构 的 抗 火 性 能(30) % 刘学春结合伊金霍洛旗索穹顶结构"分析了 火灾高温下结构的位移响应和预应力损失情况"发 现火灾中索 穹 顶 结 构 一 般 不 会 发 生 坍 塌(3<) % 随 着
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河南科技上
一、引言
目前,我国建筑造型的多样化、多功能趋势,使得钢结构有了更大的发展空间。
耐火性能差是钢结构的一个致命缺点,钢材的强度、弹性模量等基本力学性能指标在高温下急剧下降,一旦发生火灾钢结构就有可能发生严重的破坏甚至过早地整体倒塌。
而预应力钢结构对温度更为敏感,对其进行抗火分析显得更加重要。
本文以2008年奥运羽毛球馆弦支穹顶结构[1]为例进行抗火反应非线性有限元分析。
本文的研究内容可分为两大部分,对火的分析和对结构的火反应分析。
二、对火的模拟分析及火灾时构件的力学特性对火的分析采用ISO-834标准温度-时间关系曲线,其简化计算模型为温度随时间呈阶梯状变化;在分段时间内温度相等。
笔者对不同构件的本构关系计算模型取用高温(火灾)下材料性能的试验研究结果。
预应力是索参与工作并改善结构性能的根本保证。
当索内由应力产生的应变大于温度升高产生的膨胀应变时,索参与结构工作0当索内由应力产生的应变小于温度升高产生的膨胀应变时,索发生松弛退出工作1当索内由应力产生的应变等于温度升高产生的膨胀应变时,索为临界状态。
高温下索的弹性模量[2]:
E T /E 0=1.003-9.709×10-5T-1.4925×10-6T 2
式中,E T 为温度T 下的弹性模量;E S 为室温下的弹性模量。
对于高温徐变的影响,一般在温度超过450℃时才明显。
笔者将高温徐变的影响直接考虑在应力-应变关系曲线中。
高温下钢材的弹性模量[3]
:
E T S /E S =1-3×10-9T 3+7×10-7T 2-10-4T
式中,E T S 为温度T 下的弹性模量;E S 为室温下的弹性模量。
三、计算模型和分析方法
1.计算模型。
以2008年奥运会羽毛球馆主体屋盖为计算模型,屋盖最大跨度93m,矢高9.3m,矢跨比1/10。
其结构形式为下部钢筋混凝土框架结构,上部采用复合的凯维特-联方型弦支穹顶结构。
钢管弹性模量为
2.06E 11N /m 2,索的弹性模量为1.9E 11N/m 2。
网壳各节点刚结,支承条件为周边铰支支承,结构承受均布节点荷载,恒载为5KN ,活载为5KN 。
该工程具体情
况参见文献[1]。
2.分析方法。
采用ANS YS 程序单元库中的BEAM 44、LINK 8和LIN K10单元分别模拟梁、杆和索。
根据U .L.(修正的拉格朗日)空间描述法和虚功原理,建立结构内力和位移的增量平衡方程,增量平衡方程简记为:
[K]H Δu I =ΔλH f I
式中,[K]为U.L 列式的结构切线刚度矩阵;H Δu I 为位移增量向量;Δλ为荷载增量参数;H f I 为荷载参考向量。
基本假定:
①研究结构的被动抗火能力,钢构件无耐火被覆;②构件的温度沿截面的杆件长度方向均匀分布;③高温下钢材的热膨胀系数为常数1.4×10-5。
结构倒塌的判别标准:结构丧失承载能力或发生失稳破坏(结构总刚主对角线元素小于或等于零)。
结构抗火全过程响应分析框图如图1所示,图中ΔTs 为时间间隔Δt 内钢构件的升温,Ts 为时间间隔Δt 之间的钢材温度。
结在每次迭代计算时,用修正后的弹性模量来代替原来的弹性模量,应用Newton-Raphson (牛顿-拉夫逊)方法求解非线性方程。
四、结构的工作性能及参数分析1.整体火灾情况下抗火反应分析。
图结构最大位移关系
北京工业大学建筑工程学院
张爱林荣献丽
图1
ARCHITECTURAL ENGINEERING
建筑工
程
弦支穹顶结构抗火极限承载力分析
32007.40.8/m 20./m 22
7
图3索退出工作数目
图4结构最大内力关系
图5最外周环索2110单元火灾温度-轴力关系
凯维特-联方型弦支穹顶整体火灾情况下抗火反应分析:
(1)通过计算结构破坏的火灾温度为680℃,此时的抗火极限时间为10.11min。
(2)图4中所示火灾温度-结构最大内力关系,200℃前最大内力出现在从外周算起的第2第3圈的环索上,内力逐渐降低;200℃～500℃最大内力出现在从外周算起的第2第3圈的主肋节点上,内力逐渐升高;600℃时内力迅速减小,表明600℃时结构处于破坏边缘。
(3)图3表明环向、径向索随温度增加逐步退出工作,环向索退出规律是从内环到外环,300℃时退出数目达72%;径向索退出规律是从外周到内周,300℃时退出数目达35%。
直到破坏边缘仍有索参与工作,并且到破坏时这些索也没有失效,索拉力还稍有回升,这种情况主要是由结构的变形引起的。
(4)由变形和受力情况分析,穹顶的顶点部位位移最大,穹顶根部网壳杆件和钢索受力最大;下部没有撑杆的节点相对位移较大。
2.局部火灾情况下抗火反应分析。
图6结构最大位移关系图结构最大内力关系
图8局部火灾作用下弦支穹顶破坏模型轴测图
凯维特-联方型弦支穹顶局部火灾情况下抗火反应分析。
(1)通过计算结构破坏的火灾温度为200℃,此时的抗火极限时间为0.29min。
(2)图8中所示火灾温度-结构最大内力关系, 100℃前最大内力出现在从外周算起的第2第3圈的环索上,随着温度的升高,内力逐渐降低;100℃时最大内力出现在从外周算起的第2第3圈的径向索上;200℃时最大内力出现在从外周算起的第2第3圈的环索上,此时由于极度不均匀变形,结构破坏。
(3)到200℃时退出工作的杆件数目有42个,主要是径向索,这种情况主要是由于结构在不均匀的强度降低和温度应力作用下引起的。
(4)火灾一侧穹顶根部网壳杆件和钢索受力最大,变形也最大。
五、结论
1.在高温作用下,钢材的强度和弹性模量随温度升高而降低;结构受热产生热应力,与外荷载应力共同作用,增大节点区的应力;预应力索在高温下由于热徐变、热膨胀等原因预应力损失较大,失效杆件增多,从而导致高温下结构变形的增大,在升温后期变形增大更快,直至发生结构的整体破坏。
2.局部火灾情况下,引起结构倒塌的主要原因是强度降低和热应力分布的不均匀,使得局部火灾情况下的抗火极限远远小于整体火灾情况下的抗火极限。
此时加大拉索预应力、拉索截面积、撑杆高度等参数对提高结构抗火极限承载力的作用不大。
3.支座附近,即穹顶外周附近的构件因应力集中最容易破坏。
实际火灾发生时,有可能局部构件率先失效,从而导致整个结构的破坏。
主要参考文献:
[1]张爱林,刘学春.预应力弦支穹顶结构稳定性分析及优化
设计[R].北京工业大学硕士学位论文.2006.
[2]范进,吕志涛.高温火灾下预应力钢丝性能的试验研究[J].
建筑技术.32(12).
[3]李国强.高温下Q345钢的材料性能试验研究[J].建筑结构.
2001,(01).
[4]张爱林,陆赐麟.我国预应力钢结构技术规程编制及有关
研究问题[]钢结构5,(5)
ARCHITECTURAL ENGINEERING 建筑工
程
32007.4
7
J..200. 8
河南科技上。