拱支索拉屋盖结构之拱索研究

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随着社会的发展,大跨空间结构已不再单纯以满足使用功能而存在,而是作为一种空间艺术结构物而存在社会之中。对大跨空间建筑美学的日益重视,促使了大跨空间结构造型的丰富多彩。在传统的大跨空间结构基础之上,一些新颖的杂交型大跨空间结构呈现在人们的面前。其最大的优点就是各种类型的结构之间充分互相取长补短,使得每一种单一类型的空间结构形式及其材料均能发挥最大的潜力,从而改善整个结构体系的整体受力性能。但是一些新颖的结构形式,在追求视觉美感的同时,必然也要牺牲一些结构的受力合理性。所以需要在美学和力学之间寻找一个平衡点才能获得合理的设计。   鄂尔多斯东胜体育场巨型钢拱结构采用立体钢桁架,其跨度为330米、失高为126米,拱结构整体平面外倾斜6.1度;屋盖结构由活动屋盖与固定屋盖两部分组成;屋盖整体通过50根拉索与拱结构相连,形成“拱支索拉屋盖”这种新颖的结构体系。该体育场建成后将成为国内可开启面积最大的体育场。该论文结合实际工程,在考虑开合屋盖的作用下,选择合适的拱轴线类型与基础受力状态,之后求解其合理拱轴线,并对拱轴线进行优选;最后应工程需要,对该结构体系中的拉索进行了风时程稳定分析和振动验算以及拉索钢节点验算。本文主要内容如下:   (1)选择合适的拱轴线类型。根据巨拱的失高和跨度分别计算出圆弧形拱轴线、2次抛物线型拱轴线、8次抛物线型拱轴线、三铰拱轴线的方程,对比在荷载作用下这四类拱轴线的弯矩值以及分布情况,从而选择出合理的基础拱轴线类型。   (2)选择合适的基础受力状态。由于活动屋盖在开合过程中将导致索力分布发生一定的变化,所以必须选择出合理拱轴线计算的基础受力状态,并分别进行屋盖开启时索力作用下和屋盖闭合时索力作用下的验算。   (3)拱轴线逼近优选。以“中间态索力”和“三铰拱轴线”作为初始条件求解其合理拱轴线,并在此条件下对拱轴线进行逼近优选。   (4)拉索风振机理分析。从拉索和风的概念入手,较为深入的分析阐述了拉索在风荷载作用下振动类型以及振动机理。   (5)拉索时程分析与振动验算。根据快速傅里叶变换的谐波叠加法,利用FORTRAN90程序语言生成了脉动风速时程曲线。通过风速和风压的转换关系,将风速时程转换为各节点对应的压力时程对拉索进行风时程稳定分析;根据经验公式对拉索进行了涡激共振、风雨共振、尾流驰振的验算。   (6)拉索节点验算。对拉索进行有限元验算,并对节点给出了综合的评价。   本文对内蒙古鄂尔多斯东胜体育场的巨拱结构的设计选型提供了参考数据,并分析验算了拉索在风荷载作用下的稳定性以及拉索节点的安全性,为本工程设计提供了数据。
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