轮辐式索杆张拉结构逆序分区拆除方法的数值模拟与实验研究

《Engineering Structures》:Numerical simulation and experimental study on reverse-sequence partitioned dismantling method for wheel-spoke cable-strut tension structures

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月06日 来源:Engineering Structures 7.6

编辑推荐:

   摘要轮辐式索杆张力结构是典型的大跨度空间体系,具有高预应力特征。传统的渐进倒塌拆除法(PCD)由于严重的安全风险和低的材料回收率,对这些结构表现出明显的局限性。本文系统地调查并验证了一种逆序分块拆除法(RSPD)。RSPD 方法的主要优势在于将高预应力的瞬时释放转化为一个渐进

  

摘要

轮辐式索杆张力结构是典型的大跨度空间体系,具有高预应力特征。传统的渐进倒塌拆除法(PCD)由于严重的安全风险和低的材料回收率,对这些结构表现出明显的局限性。本文系统地调查并验证了一种逆序分块拆除法(RSPD)。RSPD 方法的主要优势在于将高预应力的瞬时释放转化为一个渐进的、可预测的和可控的过程。首先,通过缩尺模型试验分析了 RSPD 过程中的结构响应和力学行为。随后,基于经过验证的高保真有限元模型,提出了一种评估程序来评估临时拉索的分块拆除候选方案集。本研究验证了 RSPD 方法在管理轮辐式索杆结构预应力释放方面的安全性和有效性,为类似大跨度预应力体系的安全拆除提供了实用工程方法和顺序选择框架。

引言

张力结构在过去几十年中,凭借其轻质高强、美观性以及高材料利用效率的突出优势,经历了快速发展和广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。作为代表性体系,轮辐式索结构通过径向拉索和环向构件的协同工作,实现了结构效率与建筑美学的有机统一[5,6]。该结构形式已成功应用于许多地标项目,如巴西的马拉卡纳体育场和中国的深圳宝安体育场,证明了其在大跨度应用中的经济合理性。随着建筑更新周期的加速,许多早期建造的结构面临因功能升级或材料老化而需要拆除的需求[[7], [8], [9], [10]]。鉴于高预应力水平,不当的拆除可能引发应力突然释放和渐进倒塌[[11], [12], [13], [14]]。因此,开发安全可控的拆除技术已成为一个紧迫的挑战。
传统上,渐进倒塌拆除法(PCD)被用于结构拆除[[15], [16], [17], [18], [19]]。然而,将 PCD 应用于高预应力体系由于大量应变能的突然、不可控释放而存在严重的安全风险[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]。与明确利用动态整体失稳引发倒塌的 PCD 不同,逆序分块拆除法(RSPD)旨在通过临时边界控制实现预应力的准静态、渐进重分布。这种方法将剧烈、瞬时的能量释放转化为一个可预测和可管理的过程,便于结构组件的完整回收以潜在再利用。
为了克服 PCD 的缺陷,研究人员探索了精细化拆除技术。例如,伊尔法院展览中心项目利用复杂的临时支撑系统以确保拆除期间的稳定性[27]。Akbarnezhad 等人[28]提出了一种基于 BIM 的框架来评估拆除策略的经济和环境效益。日本的鹿岛切取拆除法[7]和 TECOREP 系统[8]是自上而下的逆向施工的成功示例。此外,Dantata 等人[29]分析了影响拆除与解构的经济因素,为决策提供了数据支持。虽然逆向拆除在常规土木工程中得到认可,但其应用于强耦合、高预应力索杆体系仍是一个重大挑战。与刚性框架不同,轮辐式结构依赖于微妙的预应力平衡;任何不当的顺序都可能引发屈曲跳越行为或局部应力集中。
RSPD 方法的核心在于利用临时拉索重建结构边界条件,从而确保主承重体系拆除期间的安全性。目前,关于轮辐式索结构的研究主要集中在施工或服务期间的力学性能分析[[30], [31], [32], [33]]。然而,现有研究缺乏对拆除期间复杂应力重分布过程的研究。
总之,本文通过结合缩尺模型试验和高保真有限元模拟系统地研究了 RSPD 方法。本文的组织如下:第 2 节介绍目标结构和设计;第 3 节分析缩尺模型的实验结果;第 4 节基于实验数据验证有限元模型;第 5 节利用验证后的模型对不同 RSPD 方案进行参数化评估。最后,第 6 节总结全文。虽然专注于特定模型,但提出的评估框架和临时边界控制原则提供了实用工程参考,可扩展到其他复杂预应力体系,如索穹顶和张拉整体结构。

章节摘要

实验模型设计

基于中国广州足球公园的几何特征和结构特点,本研究设计了一个 1:12.5 的缩尺模型用于实验调查。该体育场的主结构采用轮辐式拉索桁架体系,这是一种具有一个受压环和一个受拉环的轮辐式索结构[33]。实验模型采用高斯型表面构型,在东西和南北方向上保持基本对称,

拆除方案

实验中采用的拆除方案基于施工顺序的逆序和方法,因此称为 RSPD 法。其核心概念是通过临时边界控制 和风险隔离实现高预应力结构的安全可控拆除。其核心优势主要体现在三个方面:首先,在应力重分布控制方面,通过遵循施工过程的逆序,

有限元模型建立

为了彻底揭示轮辐式索杆张力结构在 RSPD 过程中的复杂力学行为,本文基于现有实验研究建立了一个精细的三维有限元模型。该数值模拟旨在复现和扩展实验结果,综合分析结构在拆除扰动下的响应细节,从而验证拆除方案的安全性并提供可靠的数值

评估框架与候选方案

基于第 3.2 节的分析,临时施工拉索的移除是控制结构最终应力重分布的关键步骤。为了缓解由多根拉索瞬时卸载触发的动态效应,本研究将拆除过程细化为多个分块操作。相应地,建立了一个力学驱动的评估框架,以从预定义的候选集中选择有利的顺序。需要注意的是,这

结论

为解决轮辐式索杆张力结构拆除中高安全风险和低材料回收率的挑战,本文系统地调查了一种 RSPD 方法。通过结合缩尺模型试验和有限元分析,评估了 RSPD 过程中的力学行为,并建立了基于力学的拆除顺序选拔框架。基于本研究,得出以下主要结论:
  • (1)
    RSPD

CRediT 作者贡献声明

Zhuangzhuang Wang: 写作 – 原始草稿,方法论,调查,资金获取,形式分析,数据整理,概念化。Deyuan Deng: 验证,方法论,调查,形式分析,数据整理,概念化。Wenjun Zhen: 资源,调查,概念化。Ruyuan Huo: 验证,方法论,调查,形式分析,数据整理,概念化。Huifang Chen: 验证,数据整理。Junsheng Li: 写作 – 审阅与编辑,

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系,这些可能影响本文报告的工作。

致谢

本文展示的工作由 广东省住房和城乡建设厅和 城乡发展项目(2023-K10–582793),中国建筑智能建造工程研究中心项目(ZJGG-2023-PTKT-3.9),国家自然科学基金委员会(52478306, 52478145),江苏省研究生研究 & 实践创新计划(SJCX24_0084),以及 东南大学博士研究生创新能力提升计划(CXJH_SEU_25094)资助。
Zhuangzhuang Wang|Deyuan Deng|Wenjun Zhen|Ruyuan Huo|Huifang Chen|Junsheng Li|Zhenming Chen|Qian Zhang|Jianguo Cai
东南大学土木工程学院,南京,210096,中国
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号