导　　师： 郭正兴

学科专业： H1402

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 东南大学

摘　　要： 弦支穹顶结构作为一种新型杂交预应力空间结构体系，诞生至今仅十余年，已初步显示出广阔的应用前景。随着近期体育场馆、会展中心、航站楼等大型公共设施建设的兴起，还将为弦支穹顶结构的进一步发展和应用带来新的契机。为了能够与时俱进，国内外学者结合课题和工程实践对该新型结构已展开了相关的研究与探索，并取得了阶段性成果。但总体来讲，目前的研究工作还不够全面和深入，部分问题的研究仍滞后于工程实践的需要。本文在总结已有研究成果的基础上，以作者全程参与的武汉体育馆大型弦支穹顶屋盖为工程背景，以大跨椭圆形弦支穹顶结构为主要研究对象，着重对该新型结构的分类方法及新形式的构建、非线性分析方法、预应力确定方法、静力性能、稳定性能、缺陷稳定性分析方法、施工全过程分析方法、以及施工技术等方面进行了较为系统的研究。 在回顾弦支穹顶结构产生、发展及应用的基础上，结合弦支穹顶结构的特点，对该新型结构体系的概念进行了延伸和拓展。以此为依据，对弦支穹顶结构体系的分类方法进行了研究，提出了按照上部刚性层结构和下部张拉索杆体系的组成特点进行总体分类的方法，按照该方法对弦支穹顶进行了较系统的分类，既总结了目前已有的结构类型，也构建了部分新的结构形式。 对椭圆形弦支穹顶的概念、优势及特点进行了诠释和阐述，并提出采用平面形状系数δ来描述其水平投影特征，为进一步研究椭圆形弦支穹顶提供了依据和便利。 依据弦支穹顶结构的组成特点，讨论了适合该结构体系的几何非线性分析方法，具体包括：非线性增量平衡方程及有限元基本方程的建立、弦支穹顶结构体系的单元组成及非线性方程组的求解方法等，为弦支穹顶结构的研究奠定了理论基础。 对椭圆形弦支穹顶的预应力确定方法进行了研究，提出了预应力确定的新方法——自平衡逐圈确定法。介绍了该方法实现的基本思想及原则、计算控制参数、计算步骤，以及求解策略等，在此基础上编制了便于应用的计算程序，最后通过典型算例分析，对该方法进行了合理性验证。 对大跨椭圆形弦支穹顶结构的静力性能进行了较系统的研究。分析并对比了弦支穹顶与相应网壳在不同荷载组合下的结构变形、构件内力等静力特性，同时对大跨椭圆形弦支穹顶的非线性行为进行了考察。结果表明：在相同荷载条件下，与对应网壳相比，弦支穹顶的节点竖向位移、径环向杆件内力等均有显著的改善，从而使结构跨越更大空间成为可能；为确保结构安全并避免拉索松弛，应进行荷载不对称分布的验算；结构体系的布置形式是影响索杆体系内力分布规律的重要因素，与圆形弦支穹顶相比，椭圆形弦支穹顶的索杆体系内力分布规律较为复杂；在正常使用荷载作用下，大跨椭圆形弦支穹顶表现出较弱的非线性。通过参数影响分析，较全面地了解了大跨椭圆形弦支穹顶的静力性能，为类似结构设计和工程实践提供了参考依据。分析结果表明：矢跨比、平面形状系数、预应力、撑杆长度是影响结构静力性能的主要因素，上部刚性层结构的刚度对结构静力性能具有一定的影响，拉索面积对结构静力性能的影响不大，而撑杆面积对结构静力性能基本没有影响。 对大跨椭圆形弦支穹顶结构的稳定性进行了较全面的分析，对比了弦支穹顶与相应网壳在稳定性能方面的差异，并考察了多种参数对结构稳定性的影响，以得出相关有价值的结论，来指导实践。分析结果表明：由于下部索杆体系的引入，增强了结构的抗屈曲性能，使弦支穹顶的稳定承载力明显高于相应的网壳；矢跨比、平面形状系数、上部刚性层结构的刚度、撑杆长度对结构稳定性的影响较大，预应力、拉索面积对结构稳定性的影响较小，而撑杆面积对结构稳定性基本没有影响。以弦支穹顶结构为对象，对目前常规的一致缺陷模态法(基于特征值屈曲模态的一致缺陷模态法、基于非线性屈曲模态的一致缺陷模态法)的适用性进行了分析，探讨其在某些情况下不适用的原因。在此基础上，建议了更加适合于弦支穹顶结构的缺陷分析策略——一致缺陷位形法。该分析策略直接以非线性理论为基础，既可避免求解广义特征值问题的不足，不存在初始参考荷载的选择问题，又能更好地反映结构实际的变形趋势。通过典型算例分析，一致缺陷位形法取得了较理想的结果。 阐述了两类施工全过程分析方法(基于叠加原理的状态变量叠加法、基于有限位移理论的非线性有限元法)的基本原理，着重对两类方法的关键问题，诸如：构件的增加与安装定位原则、构件的拆除、边界条件与荷载的改变、预应力拉索的处理与张拉控制原则、支撑胎架的落架问题与落架方式等，作了详细的拓展。建议网壳、网架等刚性结构以及弦支穹顶、张弦梁、张弦桁架等半刚性结构，可采用状态变量叠加法进行施工过程分析，以缩短计算时间，减少计算量；当结构较柔时，或对计算精度要求更高时，应采用基于有限位移理论的非线性有限元法进行分析。 对预应力钢结构施工的虚拟张拉技术进行了研究，提出了虚拟张拉技术的初步理论架构，包括虚拟张拉技术概念的定义、发展的必要性与作用、组成核心以及基本原理等。重点对虚拟张拉技术的关键问题，如：拉索单元模拟与分析方法、拉索预应力的仿真方法、索力迭代策略、拉索张拉全过程仿真分析方法等进行了详细的探讨和研究，推导出收敛速度更快、计算效率更高的索力迭代新策略——初应变比值法和等效温差比值法，并编制了相应的计算程序，通过弦支穹顶、张弦梁等算例分析，验证了该迭代策略的高效性。 结合作者直接参与的武汉体育馆工程施工实践，对国内首例大跨椭圆形弦支穹顶结构的施工技术进行了研究和探索。探讨了上部网壳结构较先进的顶升外扩施工技术，阐述了拉索的安装技术，并重点对拉索张拉技术(撑杆调节法)进行了研究。由此编制了详细的施工实施方案，使得本工程施工最终能够顺利完成，其中，撑杆调节法首次在大跨弦支穹顶结构施工中得到创新应用，并取得了成功，从而为类似新型结构积累了宝贵的施工实践经验。

关 键 词： 椭圆形弦支穹顶 结构分析 施工技术 分类方法 非线性分析 预应力 稳定性

分 类 号： [TU745.2]

领　　域： [建筑科学]