內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的理論分析和試驗(yàn)研究.pdf

1、索拱結(jié)構(gòu)由索與拱雜交而成，索與拱兩種部件抗拉與抗壓的力學(xué)性能及材料性能得到充分利用，不僅保持了拱結(jié)構(gòu)的優(yōu)美曲線外形，而且改善了普通拱結(jié)構(gòu)的受力和變形，大大提高了拱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載力，有助于改善結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，因而在大跨空間結(jié)構(gòu)中不斷有新的索拱組合形式出現(xiàn)。廣州新客站-站房屋蓋采用了一種新穎的索拱組合形式——內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力拉索布置在拱內(nèi)部，走向同上弦拱一起向上凸起，拱索之間用撐桿相連。本文便以廣州新客站為工程背景，對(duì)內(nèi)凹式索

2、拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與振動(dòng)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的理論分析與試驗(yàn)研究。另外對(duì)無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與振動(dòng)性能進(jìn)行了理論研究。
　　 按布索方式，歸納了兩類無撐桿內(nèi)凹式索拱的構(gòu)型方法和數(shù)學(xué)公式，分別稱為無撐桿內(nèi)凹式索拱（等長(zhǎng)均布布索、兩端輻射式布索）。從忽略主拱軸向伸縮、剪切變形（或撐桿軸向伸縮）的假定出發(fā)，基于小變形理論，推導(dǎo)了內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)在徑向均布荷載作用下面內(nèi)彈性撓曲的總勢(shì)能方程，并推導(dǎo)了無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)在徑向均布荷載作用下面

3、內(nèi)彈性撓曲及面外彈性彎扭屈曲的總勢(shì)能方程?；谀芰孔兎衷恚\(yùn)用Ritz法對(duì)徑向均布荷載作用下內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)面內(nèi)的彈性穩(wěn)定性及無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)面內(nèi)（面外）的彈性穩(wěn)定性進(jìn)行了理論分析，編制了求解兩種結(jié)構(gòu)的彈性屈曲臨界荷載及屈曲模態(tài)的計(jì)算程序。
　　 運(yùn)用所編程序?qū)?nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)彈性屈曲臨界荷載及無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)（面外）彈性屈曲臨界荷載進(jìn)行了參數(shù)研究，并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。分析結(jié)果表明：本文方法及程序具有較高

4、的精度和效率。拱的軸向伸縮和剪切變形對(duì)結(jié)構(gòu)的彈性屈曲臨界荷載的影響很小，可以忽略不計(jì)。內(nèi)凹式索拱與無撐桿內(nèi)凹式索拱（等長(zhǎng)均布布索）的面內(nèi)彈性屈曲形式均為反對(duì)稱屈曲，對(duì)于無撐桿內(nèi)凹式索拱（兩端輻射式布索）的面內(nèi)彈性屈曲形式，多數(shù)情況為反對(duì)稱，其余則為正對(duì)稱。內(nèi)凹式索拱及無撐桿內(nèi)凹式索拱的布索形式對(duì)拱結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的提高效果顯著。內(nèi)凹式索拱的面內(nèi)屈曲臨界荷載與無撐桿內(nèi)凹式索拱的面內(nèi)及面外屈曲臨界荷載均隨初始張拉力和索截面積的增加而增加，隨拱

5、長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小，但初始張拉力對(duì)兩種結(jié)構(gòu)面內(nèi)屈曲臨界荷載的影響很小，索夾間距比對(duì)內(nèi)凹式索拱的屈曲臨界荷載影響很小。無撐桿內(nèi)凹式索拱的面內(nèi)及面外的屈曲臨界荷載均隨拱矢跨比的增加而先增加后減小。
　　 從忽略主拱軸向伸縮、剪切變形（或撐桿軸向伸縮）及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的假定出發(fā)，基于小變形理論，建立了內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)面內(nèi)固有振動(dòng)的總機(jī)械能方程，并推導(dǎo)了無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)及面外固有振動(dòng)的總機(jī)械能方程。基于哈密爾頓原理和變分原理，利用Ri

6、tz法對(duì)內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)固有振動(dòng)及無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)（面外）固有振動(dòng)進(jìn)行了理論分析，編制了求解兩種結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率及固有振型的計(jì)算程序。
　　 運(yùn)用所編程序?qū)?nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)固有基頻及無撐桿內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的面內(nèi)（面外）固有基頻進(jìn)行了參數(shù)研究，并與有限元結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。分析結(jié)果表明：本文方法及程序具有較高的精度和效率。拱的軸向伸縮、剪切變形及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)結(jié)構(gòu)固有基頻的影響很小，可以忽略不計(jì)。內(nèi)凹式索拱與無撐桿內(nèi)凹式

7、索拱（等長(zhǎng)均布式布索）面內(nèi)固有振動(dòng)的第一振型形式為反對(duì)稱振型，無撐桿內(nèi)凹式索拱（兩端輻射式布索）的面內(nèi)第一振型形式隨拱長(zhǎng)細(xì)比、拱矢跨比及布索參數(shù)的變化而變化，但不受初始張拉力和索截面積的影響。兩類無撐桿內(nèi)凹式索拱面外固有振動(dòng)的第一振型形式均為對(duì)稱振型。內(nèi)凹式索拱及無撐桿內(nèi)凹式索拱的布索形式對(duì)提高拱結(jié)構(gòu)面內(nèi)固有基頻效果顯著。內(nèi)凹式索拱的面內(nèi)振動(dòng)基頻與無撐桿內(nèi)凹式索拱的面內(nèi)及面外振動(dòng)基頻均隨初始張拉力和索截面積的增加而增加，但初始張拉力對(duì)兩

8、種結(jié)構(gòu)的固有基頻的影響較小。內(nèi)凹式索拱面內(nèi)固有基頻隨索夾間距比的增加，其變化幅度很小，隨拱長(zhǎng)細(xì)比的增加而減小。無撐桿內(nèi)凹式索拱的面內(nèi)固有基頻隨拱矢跨比的增加而先增加后減小，面外固有基頻隨拱矢跨比的增加而減小。
　　 采用考慮雙重非線性的有限元方法對(duì)內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的極限承載力進(jìn)行了參數(shù)研究。分析結(jié)果表明：支座形式、矢跨比、撐桿數(shù)量、拱截面等因素對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響較大；索截面、初始張拉力和初始缺陷等對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響較??；其合理的取值范

9、圍為：拱矢跨比取0.125～0.2，索矢跨比取0.05～0.1，索截面積取拱截面積的4％～6%，與拱結(jié)構(gòu)相比，內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性、極限承載力、整體剛度都有大幅度提高，對(duì)缺陷的敏感度減低；半跨荷載是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載，給出了快速確定初始張拉力的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。
　　 對(duì)廣州新客站-站房屋蓋采用的內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)的1/3縮尺模型，分張拉成形、4種荷載工況的加載及2種典型荷載工況的極限加載3個(gè)階段進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究表明，