1、預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)80年代末，澳大利亞科研人員研發(fā)的一種新型大跨度結(jié)構(gòu)一STRARCH。它通過張拉穿入拱結(jié)構(gòu)下弦中的索使結(jié)構(gòu)支座產(chǎn)生大位移，從而對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力。在此過程中結(jié)構(gòu)上弦通常進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，大大地提高了結(jié)構(gòu)剛度和使用跨度。預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)一經(jīng)產(chǎn)生立刻引起了各國工程界的關(guān)注。近兩年來，我們課題組對其成形機(jī)理和受力特性進(jìn)行了研究。研究過程中發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)在于通過幾何大變形成形，這一特殊構(gòu)造，使結(jié)構(gòu)具有了區(qū)別于同

2、類其它結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。在此研究基礎(chǔ)上，本文提出了“體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)”，將此成形技術(shù)引入屋架結(jié)構(gòu)中，大大提高了屋架的工作效率、提高了屋架的剛度和受力性能，擴(kuò)大了屋架的使用空間和范圍，是一種應(yīng)用前景非常好的結(jié)構(gòu)形式。與預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)相比，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于直線拉索比預(yù)應(yīng)力拱架的折線拉索具有更低的索力值，因而保持預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)優(yōu)點的同時預(yù)應(yīng)力效率更高。 本文的研究工作主要包括兩項內(nèi)容： 1．對具有幾何大變形的預(yù)應(yīng)

3、力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了整體受力特性分析和結(jié)構(gòu)找形研究； 2．對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)分析研究、考慮索與下弦之間接觸的成形過程分析、受力性能研究、自振特性研究，并做了靜載試驗對其成形過程和受力過程的理論分析進(jìn)行了驗證。主要成果如下： 1)對于施工過程中具有幾何大變形的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在設(shè)計時首先面對的問題就是結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)確定問題。本文提出了一種簡單、實用的找形方法，它精度高，能夠快速由藍(lán)圖幾何找到零狀態(tài)幾何，再由零狀態(tài)幾何找到結(jié)

4、構(gòu)的初始狀態(tài)，方法簡單，概念清楚，容易被工程設(shè)計人員掌握。運用本找形方法，在結(jié)構(gòu)各參數(shù)不變的情況下存在唯一的結(jié)構(gòu)初始態(tài)預(yù)應(yīng)力分布。 2)對于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)，其成形過程中的有限元分析是一個復(fù)雜的高度非線性的問題。它囊括了幾何非線性、材料非線性和接觸非線性。本文對三種非線性問題的基本理論進(jìn)行了討論，特別針對成形過程中索與下弦的接觸特點進(jìn)行討論，確定了本文有限元計算方法。接觸分析中重點考察了結(jié)構(gòu)成形過程中索與下弦之間的接觸表現(xiàn)、

5、結(jié)構(gòu)的變形特性、內(nèi)力分布規(guī)律、以及成形過程下弦縫隙閉合規(guī)律，并通過模型試驗驗證了理論分析的正確性。比較了接觸算法與目前設(shè)計計算中常用溫度算法的內(nèi)力大小和分布情況，得到兩種算法之間的差異，提出了設(shè)計建議。本文首次將接觸算法引入大變形結(jié)構(gòu)計算中，為目前結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提出一條新思路和可能性，極具理論意義和應(yīng)用價值。 3)對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架進(jìn)行參數(shù)分析。研究了成形前結(jié)構(gòu)各獨立參數(shù)變化對成形后結(jié)構(gòu)的幾何形狀、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)及穩(wěn)定承載能力的影響。

6、提出了體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計框架，根據(jù)參數(shù)特點將其分為預(yù)估參數(shù)、成形設(shè)計參數(shù)和承載設(shè)計參數(shù)，并在不同階段確定。文中給出關(guān)鍵參數(shù)取值范圍或擬合經(jīng)驗公式。 4)對預(yù)應(yīng)力拱形結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力分析，結(jié)果表明體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力拱架結(jié)構(gòu)雖然構(gòu)造相似，但是兩種受力性能完全不同的結(jié)構(gòu)體系。由于受力性質(zhì)不同，所以施加預(yù)應(yīng)力的目的也不同。從整體受力角度上講，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的方案是非常優(yōu)越、有效的。對體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼屋架