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钢拱斜拉网格结构是一种新型的杂交结构,由钢拱、下部刚性结构和柔性拉索组合而成,造型流畅优美。与其他普通钢结构相比,钢拱斜拉网格结构通过在斜拉索中施加预应力,为下部结构提供多个柔性支点,进而改善下部结构受力状态,降低结构在竖向荷载作用下的挠度,提高整体结构的刚度。这种结构体系综合了拱结构抗压、拉索抗拉能力强的优点,是一种有发展前途的杂交结构体系。
目前,钢拱斜拉网格结构理论研究虽然取得了一定的成果,但是与实际工程的应用相比,其理论研究相对滞后,特别是钢拱稳定分析方法、拉索施工顺序优化等方面的研究非常有限。鉴于此,本文针对钢拱斜拉网格结构,对钢拱稳定分析、拉索施工对钢拱平面外稳定的影响、拉索施工顺序优化等关键问题进行了系统的研究。
钢拱是钢拱斜拉网格结构中的主要受力构件,其平面外的稳定往往可以通过设置足够的支撑或者构件之间的相互约束得到保证,但作为竖向的主要承力体系,钢拱往往跨越很大的跨度而没有面内的支承,平面内的稳定难以得到保证,因此平面内稳定性能常常是钢拱结构设计的控制因素。本文在前人研究的基础上,对影响钢拱平面内稳定性能的多种因素进行分析,得出分析钢拱平面内稳定性的方法。另外,本文还就拉索施工顺序对钢拱平面外稳定的影响进行研究,得出较好的拉索施工顺序。
钢拱斜拉结构在拉索张拉施工时,对于不同的拉索施工顺序,其施工张拉力有较大的区别,为方便拉索施工,降低施工难度,减少施工过程风险,并改善结构整体性能,对拉索施工顺序进行优化十分必要和迫切的。本文提出基于遗传算法的预应力拉索施工顺序优化方法,结合大型分析软件ANSYS及APDL语言,通过编制相应程序实现对拉索施工顺序进行主动优化选择,结束以往仅凭经验选择施工顺序的盲目性,为预应力钢结构索的张拉提供了一个可行的方法。
本文对鄂尔多斯东胜体育场这个典型的钢拱斜拉网格结构的多个关键问题进行研究,对前面阐述的分析方法及相关结论进行应用,验证拉索施工顺序优化方法的正确性。文中还结合拉索施工顺序对钢拱平面外稳定影响的特点,得出最优拉索施工顺序。鄂尔多斯地区大风较多,通过模态分析研究拉索减振器设置的必要性,最终确定拉索减振器设置的位置以及高阻尼橡胶圈的相关参数,避免出现下部结构与拉索出现共振现象。借鉴其他工程经验,对拉索表面做合理处理,减小风雨振的影响。本工程拉索节点区域相对复杂,通过建立合理的有限元模型以较高的精度对结构的实际受力情况进行模拟,使得判定节点安全性的方法变得经济、方便,而节点的设计思路以及有限元分析方法也可以相类似的工程提供较好的借鉴。