基于张拉整体概念的弦支混凝土集成屋盖结构体系研究

Based on the tensegrity structure conception, by innovative research on structure system, the cable supported concrete roof structure, a new-style and high-efficient prestressed spatial composite structure, is fabricated. The rational form and standard design method of the key elements prefab reinforced concrete slabs, embedded parts, struts and joints are proposed. According to the theory of iterative method, the calculation formula of the initial prestress is deduced and programmed, the accurate prestress design method is proposed by static finite unit analysis. The dynamic equations based on earthquake wave are established, the proper seismic design method is proposed by dynamic finite unit analysis. The variable boundary conditions are added to the finite unit calculation model, the different phases but continuous finite unit calculation cases are built up, on the basis of which, the research on construction mechanics of the cable supported concrete roof structure is carried out. Further, a practical cable supported concrete roof structure model is fabricated, and the static and construction mechanics experiment are carried out. Finally, theoretical and experimental research results are contrasted, the engineering design code and construction code of the cable supported concrete roof structure are proposed.

基于张拉整体概念，对结构体系进行创新性研究，提出一种新型高效能的预应力空间组合结构体系，即弦支混凝土集成屋盖结构体系。研发出预制钢筋混凝土板、预埋件、撑杆及连接节点这些关键构件的合理形式，推导理论计算公式，提出其标准化设计方法。基于迭代法原理推导初始预应力计算公式并编制求解程序，进行静力学有限元计算分析，提出适用于此结构体系的精确的初始预应力设计方法。建立基于地震波的动力学方程，进行动力学有限元计算分析，提出适用于此结构体系的科学的抗震设计方法。将变化的边界条件引入到有限元模型中，建立分阶段、连续的有限元计算工况，进行施工力学分析，提出合理的施工方法。进行模型实验研究，包括静载荷和施工力学实验研究，对比理论与实验研究结果。最终，提出弦支混凝土集成屋盖结构体系的工程设计规范与施工规范。

由于可以提供室内无柱大空间，大跨度空间结构被广泛应用于体育馆、航站楼、会展中心以及车间厂房等建筑中。近些年来，随着奥林匹克运动会和世博会在我国成功举办，大批重量级和具有国际影响力的大跨度建筑相继落成。在未来，随着我国经济蓬勃发展和人们在体育运动以及文化娱乐等方面活动急剧增加，大量高质量的大跨度建筑定会不断兴建。鉴于此，对大跨度空间结构新技术与新体系的研究，尤其是节约型新体系的研发是顺应我国当下社会发展趋势的，因此具有较好的研究意义与价值。.在此背景下，本项目申请人提出了一种新型大跨度空间结构，即弦支混凝土集成屋盖结构，研究表明，这种结构是高效的、合理的、经济可行的。在已有研究基础上，本课题将深入对弦支混凝土集成屋盖结构的静、动力学特性进行研究，揭示其力学特性。以自重小、强度高、刚度大为主要目标，找到适合这种结构体系的预制钢筋混凝土板及其设计方法。进行精确的施工力学研究，确定临时支承设置以及卸载时对主体结构的影响。.本项目团队采用理论分析和试验研究相结合的方法对以上研究内容进行研究。首先，提出了肋梁楼盖型弦支混凝土集成楼盖结构，开发出了与之相对应的预制钢筋混凝土肋梁楼盖单元、撑杆、连接节点等构件，并提出了其设计方法和标准化施工装配过程。其次，提出基于静力平衡原理的初始预应力设计方法，通过逐级计算到收敛，可得到相应拉索的初始预应力设计值；制作1:5的缩尺模型，进行静载荷试验研究和自振特性测试，验证了所提预应力设计方法的正确性，同时测得的结构前3阶自振频率与振型与理论计算较为接近，基频较低，且分布较为密集；研究了4个重要参数对结构力学性能的影响，其中，拉索垂跨比和肋梁梁高增加会改善结构的力学性能，撑杆截面尺寸和索径的变化对结构力学性能的影响微弱。然后，对所提出的5步2阶段施工方法进行理论分析与试验研究，研究模型为1:5的缩尺模型，张拉阶段的研究表明，初始预应力施加合理，试验结果虽比理论分析结果值偏大，但误差较小，仅为6.8%；支承拆卸阶段，有三种拆卸方案，研究表明，各榀同时进行，支承从跨中到两端逐一拆卸的方式对关键部位，即跨中后浇带的受力及跨中最大竖向位移的影响最小，是最适合弦支混凝土集成楼盖结构的施工卸载方法。.本项目研究结果确立了弦支混凝土集成屋盖结构这种新型大跨度预应力空间结构的标准构造、工程设计和施工方法，为这种结构在实际工程中应用提供了理论指导和实践基础。