索杆张力结构的预张力偏差和刚度解析

【摘要】本文以索杆张力结构为研究对象,重点对其预张力偏差的定量估计和控制、刚度解析问题进行了讨论,主要工作包括以下五个方面：(1)对结构的最不利预张力偏差问题进行了研究。以构件绝对和相对预张力偏差平方和作为衡量结构预张力偏差的指标,利用二次型矩阵Rayleigh商的极性对结构预张力偏差的有界性进行了证明。通过对该二次型矩阵进行谱分解并利用其特征值快速衰减的性质,建立了仅采用该矩阵的低阶特征值和特征向量来近似求解结构最不利预张力偏差及对应的索长误差分布的方法。(2)以控制结构预张力偏差为目标讨论了主动张拉索的优选问题。将单元的绝对预张力偏差平方和作为表征结构预张力偏差的定量指标,从特征值的角度解释了不同张拉方案对结构预张力偏差控制效果不同的原因。以灵敏度矩阵的第一阶特征值为评价指标,从控制结构整体最不利预张力偏差的角度基于遗传算法提出了一种主动张拉索的优选方法。(3)结合乐清市体育场月牙形索桁张力罩棚结构工程,从预张力偏差的角度开展了施工张拉方案的比选和结构预张力的实测工作。对该结构在不同张拉控制方案下的结构预张力偏差进行了分析,并建议了可行的预张力施工方案。介绍了该结构的预张力监测方案,并将FBG和EM两种索力测量方法应用于该结构的预张力监测并建立了适应长期运行的实时索力监测系统。分析了该结构张拉过程及初始态的实测预张力特点。(4)重点对单元刚度与结构需求刚度间的关系进行了研究。给出了一个新的结构切线刚度矩阵按单元组集的表达式,其中结构的弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵均可表示成为刚度值和方向向量构成的解析形式。在理论上找到了两个重要的结构自由度子空间,零弹性刚度子空间和需求刚度子空间,零弹性刚度子空间的刚度主要由结构的几何刚度提供,需求刚度子空间的刚度为外荷载作用方向的结构刚度。建立了结构和单元刚度对需求刚度和零弹性刚度子空间刚度贡献度的量化方法,通过该方法可找到结构的关键刚度路径。(5)对结构的动力刚度特性进行了初步探讨。建立了结构基本模态参数(频率和振型)与单元弹性刚度和几何刚度之间的关系。发现索杆张力结构的频谱视几何刚度和弹性刚度对各阶频率贡献度大小的不同存在明显的“分区现象”,并给出了定量判别结构各阶频率中几何刚度、弹性刚度贡献度的方法。利用零弹性模态子空间的刚度主要由几何刚度提供的特点,根据单元几何刚度对其刚度贡献度的大小建立了一个寻找结构关键预张力单元的方法。最后建立了频率、振型与结构预张力间的解析关系,借助该关系式可根据实测的模态参数来求解结构预张力。
【作者】夏巨伟；
【导师】邓华；
【作者基本信息】浙江大学，结构工程，2014，博士
【关键词】索杆张力结构；预张力偏差；主动张拉索优选；预张力监测；索力测量；刚度解析；需求刚度；关键刚度路径；动力刚度特性；

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