张拉整体拱架结构工作阶段受力性能分析
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摘要
张拉整体拱架结构— — ＳＴＲＡＲＣＨ是一种新型的空间结构体系，与传统空间
结构相比，这种结构的施工方法是在拱架安装就位后，对拱架下弦中的钢索进行
张拉，使得结构最终呈现出拱的形状，整个施工过程完全在地面上实现，具有跨
度大、构造简单、施工简便、造价低廉等显著的优点，是一种具有很好的工程应
用前景的新型结构体系。可以广泛应用于体育场馆、大型商场、大容量仓库等大
型工业与民用建筑。
本文通过非线性有限元分析对张拉整体拱架结构的成形阶段和工作阶段进
行了研究，重点在于研究工作阶段的受力性能，对成形阶段的分析是为了利用统
一连续的方法，准确地将成形初应力施加到工作阶段的有限元模型中。首先分析
比较了结构在不同工况下的受力，并在此基础上，研究了结构上弦塑性发展的情
况，找出了结构在每个阶段的最不利位置；探讨了成形初应力和下弦带有缺陷的
杆件对工作阶段的受力影响，得出了一些重要的结论；对若干具体的算例进行了
分析，研究了几个重要参数对结构工作阶段受力性能的影响：最后对张拉整体拱
架结构的自振特性进行了研究。
本文的研究成果对进一步的理论和实验研究具有一定的指导意义，为全面掌
握张拉整体拱架结构的工作原理奠定了基础。
STRARCH is a new space structural system. Compared with the traditional
space structural, STRARCH will be assembled at ground level, followed by a
post-tensioning process to lift the structure into its final arch configuration, the
assembly can be finished wholly at ground level. it has many advantages such as long
span, simple composition, convenient construction and inexpensive cost and will have
the important advantage in the future application. STRARCH can be used for
gymnasium, shopping mall, and large storage, especially for hanger.
This paper studies shape forming stage and working stage of STRARCH, though
nonlinear finite element analysis. The key part of the paper is the study for load
behaviors at working stage. The aim of analyzing shape forming stage is for solving
the question of applying the member forces produced in the shape forming process to
the finite element models of load analysis, by a whole and continuous analysis method.
first, analyzing and comparing load behaviors under different load; on the basis of
load behaviors, analyzing the development of plastic and find the most disadvantage
position at each stage; analyzing the influencing that the member forces produced in
the shape forming process and the disabled bottom chords to load behaviors at
working stage and lots of useful conclusions are drawn; according to some example,
studying some significant factors that have influence on the working stage of the
STRARCH; last, analyzing vibration characteristic.
The research results of this paper have certain directive significance on further
theory and experiment, and have established the foundation for mastering the
principle of structure in an all-round way.
结构相比，这种结构的施工方法是在拱架安装就位后，对拱架下弦中的钢索进行
张拉，使得结构最终呈现出拱的形状，整个施工过程完全在地面上实现，具有跨
度大、构造简单、施工简便、造价低廉等显著的优点，是一种具有很好的工程应
用前景的新型结构体系。可以广泛应用于体育场馆、大型商场、大容量仓库等大
型工业与民用建筑。
本文通过非线性有限元分析对张拉整体拱架结构的成形阶段和工作阶段进
行了研究，重点在于研究工作阶段的受力性能，对成形阶段的分析是为了利用统
一连续的方法，准确地将成形初应力施加到工作阶段的有限元模型中。首先分析
比较了结构在不同工况下的受力，并在此基础上，研究了结构上弦塑性发展的情
况，找出了结构在每个阶段的最不利位置；探讨了成形初应力和下弦带有缺陷的
杆件对工作阶段的受力影响，得出了一些重要的结论；对若干具体的算例进行了
分析，研究了几个重要参数对结构工作阶段受力性能的影响：最后对张拉整体拱
架结构的自振特性进行了研究。
本文的研究成果对进一步的理论和实验研究具有一定的指导意义，为全面掌
握张拉整体拱架结构的工作原理奠定了基础。
STRARCH is a new space structural system. Compared with the traditional
space structural, STRARCH will be assembled at ground level, followed by a
post-tensioning process to lift the structure into its final arch configuration, the
assembly can be finished wholly at ground level. it has many advantages such as long
span, simple composition, convenient construction and inexpensive cost and will have
the important advantage in the future application. STRARCH can be used for
gymnasium, shopping mall, and large storage, especially for hanger.
This paper studies shape forming stage and working stage of STRARCH, though
nonlinear finite element analysis. The key part of the paper is the study for load
behaviors at working stage. The aim of analyzing shape forming stage is for solving
the question of applying the member forces produced in the shape forming process to
the finite element models of load analysis, by a whole and continuous analysis method.
first, analyzing and comparing load behaviors under different load; on the basis of
load behaviors, analyzing the development of plastic and find the most disadvantage
position at each stage; analyzing the influencing that the member forces produced in
the shape forming process and the disabled bottom chords to load behaviors at
working stage and lots of useful conclusions are drawn; according to some example,
studying some significant factors that have influence on the working stage of the
STRARCH; last, analyzing vibration characteristic.
The research results of this paper have certain directive significance on further
theory and experiment, and have established the foundation for mastering the
principle of structure in an all-round way.
引文
１ 沈士钊，中国空间结构理论研究 ２０ 年进展，第十届空间结构学术会议论文集，
北京：中国建材工业出版社，２００２，３８－５２
２ 陈务军，空间展开桁架结构设计原理与展开动力学分析理论研究［浙江大学博
士论文］，１９９８
３ 丁明，张拉整体桁架结构成形机理研究［北京工业大学硕士论文］，２００３
４ 刘立杰，一种新型后张拉整体成形穹顶的成形和承载力性能研究［西安建筑科
技大学博士论文］，２００３
５ Ｍ．Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ， Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ． Ｔｅｓｔ Ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ａｎａｌｙｓｅｓ Ｏｆ Ｓｍａｌｌ－Ｓｃａｌｌ
Ｓｔｒｅｓｓｅｄ－Ａｒｃｈ Ｆｒａｍｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．Ｒ６５９ Ｓｙｄｎｅｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ １９９２，８
６ Ｍ．Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ， Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ． Ｏｎ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ Ｔｈｅ Ｔｏｐ Ｃｈｏｒｄ Ｏｆ
Ｓｔｒｅｓｓｅｄ－Ａｒｃｈ Ｆｒａｍｅｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．Ｒ６６８ Ｓｙｄｎｅｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
１９９２，１０
７ Ｍ．Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ，Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ．Ｆｉｎｉｔｅ－Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｏｆ Ｓｔｒａｒｃｈ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．Ｒ６０５ Ｓｙｄｎｅｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ １９９０
８ Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ，Ｐ．Ｗ．Ｋｅｙ，Ｍ．Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｔｅｓｔｓ Ｏｎ Ｔｈｅ Ｔｏｐ Ｃｈｏｒｄ Ｏｆ
Ｓｔｒａｒｃｈ Ｐａｃｉｆｉｃ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｐｐ．５５７－５６９ Ｍａｙ
２８－３１，１９８９
9 Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ，Ｐ．Ｗ．Ｋｅｙ，Ｃ．Ｊ．Ｏｌｓｅｎ． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ Ａ Ｓｔｒａｒｃｈ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｙｓｔｅｍ ９ｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔ Ｌｏｕｉｓ １９８８
１０ Ｍ．Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ．Ｔｈｅ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ Ｓｔｒｅｓｓｅｄ－Ａｒｃｈ Ｆｒａｍｅｓ Ｐｈ．Ｄ Ｔｈｅｓｉｓ Ｓｙｄｎｅｙ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ １９９２
１１ Ｐ．Ｗ．Ｋｅｙ，Ｄ．Ｓ．Ｍａｎｓｅｌｌ，Ｐ．Ｒ．Ｍｏｒｇａｎ，Ｌ．Ｋ．Ｓｔｅｖｅｎｓ．Ｆｕｌｌ－Ｓｃａｌｌ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｏｆ Ａ
３０ｍ Ｓｐａｎ Ｓｔｒａｒｃｈ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｅｃｏｎｄ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ａｄｅｌａｉｄｅ ｐｐ．３５１－３５５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ３－５ １９９０
１２ Ｐ．Ｗ．Ｋｅｙ，Ｓ．Ｗ．Ｈａｓａｎ，Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ． Ｃｏｌｕｍｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ Ｃｏｌｄ－Ｆｏｒｍｅｄ
Ｓｅｃｔｉｏｎｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＡＳＣＥ １１４（２） ｐｐ．３９０－４０７ １９８８
１３ Ｔ．Ａ．Ｄａｖｉｓｏｎ，Ｐ．Ｃ．Ｂｉｒｋｅｍｏｅ． Ｃｏｌｕｍｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ Ｃｏｌｄ Ｆｏｒｍｅｄ Ｈｏｌｌｏｗ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｓｈａｐｅｓ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．１０ ，Ｎｏ．１，ｐｐ１２５－１４１ １９８３
１４ Ｋ．Ｗ．Ｋａｒｒｅｎ．Ｃｏｒｎｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｏｆ Ｃｏｌｄ－Ｆｏｒｍｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｓｈａｐｅｓ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ
Ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＡＳＣＥ Ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．Ｓｔ１，ｐｐ．４０１－４３２ １９６７
- 76 -
参考文献
１５ Ｋａｔｏ．Ｂ，Ａｏｋｉ．Ｈ，Ｎａｒｉｈａｒａ．Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ｉｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｔｕｂｅｓ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ Ｂｙ
Ｃｏｌｄ－Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｍｅｅｔｉｎｇ Ｏｎ Ｓａｆｅｔｙ Ｃｒｉｔｅｒｉａ Ｉｎ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｔｏｋｙｏ １９８６
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ＬａｒｇｅＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ Ｓｔｅｐｓ，Ｔｏ Ｓｏｌｖｅ Ｅｌａｓｔｉｃ－Ｐｌａｓｔｉｃ Ｐｒｏｂｌｅｍ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ
Ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ １３（１－３） ｐｐ．６３－７１ １９８１
１８ Ｇ．Ｐｏｗｅｌｌ，Ｊ．Ｓｉｍｏｎｅｓ．ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｔｅｒａｔｉｏｎ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｎｏｎｌｉｎｅｒ
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ｐｐ．１４５５－１４６７ １９８１
１９ Ｂａｔｈｅ Ｋ．Ｊ．Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｐｒｅｎｔｉｌｅ Ｈａｌｌ
Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ Ｊｅｒｓｅｙ １９８２
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２８ 李国强等．钢柱的空间弹塑性单元刚度方程．同济大学学报，１９９４（１２）
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２９ 沈士钊，徐崇宝，赵臣，悬索结构设计[M].中国建筑出版社,1997
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３２ 罗尧治，董石麟．索杆张拉结构的计算机分析程序．空间结构，Ｖｏｌ．２，２０００
３３ 黄文，李明瑞，黄文彬． 杆系结构的几何非线性分析——平面问题．计算结构
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３４ 王国周，瞿履谦．钢结构．清华大学出版社 １９９３
３５ 刘昭培，张韫美．结构力学（下册）．天津大学出版社 １９９１
３６ 刘正兴，孙雁，王国庆．计算固体力学．上海交通大学出版社 ２０００
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北京工业大学硕士学位论文
３７ 徐秉业，黄炎．弹塑性力学及其应用．机械工业出版社 １９８４
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３９ 董石麟，钱若军．空间网格结构分析理论与计算方法．中国建筑工业出版社
２０００
４０ 沈世钊，徐崇宝，赵臣．悬索结构设计．中国建筑工业出版社 １９９７
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４２ 吕和祥，蒋和洋．非线性有限元．化学工业出版社 １９９１
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４４ 何君毅，林祥都．工程结构非线性问题的数值解法．国防工业出版社 １９９４
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４８ ＡＮＳＹＳ 基本过程手册，ＡＮＳＹＳ，中国，北京，２００１．１
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５０ ＡＮＳＹＳ 建模与分网指南， ＡＮＳＹＳ，中国，北京，２００１．１
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北京：中国建材工业出版社，２００２，３８－５２
２ 陈务军，空间展开桁架结构设计原理与展开动力学分析理论研究［浙江大学博
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技大学博士论文］，２００３
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Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．Ｒ６０５ Ｓｙｄｎｅｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ １９９０
８ Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ，Ｐ．Ｗ．Ｋｅｙ，Ｍ．Ｊ．Ｃｌａｒｋｅ． Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｔｅｓｔｓ Ｏｎ Ｔｈｅ Ｔｏｐ Ｃｈｏｒｄ Ｏｆ
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１２ Ｐ．Ｗ．Ｋｅｙ，Ｓ．Ｗ．Ｈａｓａｎ，Ｇ．Ｊ．Ｈａｎｃｏｃｋ． Ｃｏｌｕｍｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ Ｃｏｌｄ－Ｆｏｒｍｅｄ
Ｓｅｃｔｉｏｎｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＡＳＣＥ １１４（２） ｐｐ．３９０－４０７ １９８８
１３ Ｔ．Ａ．Ｄａｖｉｓｏｎ，Ｐ．Ｃ．Ｂｉｒｋｅｍｏｅ． Ｃｏｌｕｍｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｏｆ Ｃｏｌｄ Ｆｏｒｍｅｄ Ｈｏｌｌｏｗ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｓｈａｐｅｓ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖｏｌ．１０ ，Ｎｏ．１，ｐｐ１２５－１４１ １９８３
１４ Ｋ．Ｗ．Ｋａｒｒｅｎ．Ｃｏｒｎｅｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ Ｏｆ Ｃｏｌｄ－Ｆｏｒｍｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｓｈａｐｅｓ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ
Ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ，ＡＳＣＥ Ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．Ｓｔ１，ｐｐ．４０１－４３２ １９６７
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参考文献
１５ Ｋａｔｏ．Ｂ，Ａｏｋｉ．Ｈ，Ｎａｒｉｈａｒａ．Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ Ｉｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｔｕｂｅｓ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ Ｂｙ
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１８ Ｇ．Ｐｏｗｅｌｌ，Ｊ．Ｓｉｍｏｎｅｓ．ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｉｔｅｒａｔｉｏｎ Ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ Ｎｏｎｌｉｎｅｒ
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１９ Ｂａｔｈｅ Ｋ．Ｊ．Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，Ｐｒｅｎｔｉｌｅ Ｈａｌｌ
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４９ ＡＮＳＹＳ 入门手册， ＡＮＳＹＳ，中国，北京，２００１．１
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５１ ＡＮＳＹＳ 非线性分析指南， ＡＮＳＹＳ，中国，北京，２００１．１
５２ ＡＮＳＹＳ 高级技术分析指南， ＡＮＳＹＳ，中国，北京，２００１．１
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