大跨度空间结构的工程实践与学科发展

本文系统总结了近年来我国空间结构的工程实践与学科发展的进展、趋势及新的科学问题,主要内容包括:空间结构形体的优化、深化、改进与创新;空间结构节点的破坏机理、弹塑性分析与极限承载力;空间结构向超大跨度结构发展;从较重的屋盖结构体系向轻型的屋盖结构体系发展,从刚性结构体系向柔性结构体系发展;索穹顶结构的研究与开发;大型空间结构施工全过程模拟与施工方法创新;从固定屋盖结构向可开启结构发展;空间结构从单一的设计技术向制造信息化集成技术发展;空间结构理论研究发展;空间结构的健康监测和加固技术开发应用.最后提出了为进一步促进我国大跨度空间结构的应用发展而应当研究、深化和开发的学科课题.

考虑不同失效模式的索杆结构构件面积缺损限值研究

索杆结构长期服役过程中的锈蚀会造成构件截面损失,导致结构内力的重新分配,影响结构的安全性能。文中基于可靠度理论与结构极限状态分别建立了构件强度失效、钢索松弛失效及节点变形失效3种失效模式,并得到了不同失效模式临界状态下的可靠度限值控制不等式;通过力学推导,给出了以缺损面积为变量的杆件内力与节点位移变化公式,依据该公式可计算出可靠度限值控制不等式中的影响系数矩阵;引入钢材的锈蚀模型并结合非线性规划,提出了一种确定索杆结构构件面积缺损限值的方法。对一Levy型索穹顶的构件面积缺损限值进行了算例分析,并与规范限值进行对比。结果表明:索杆结构中的多数构件在强度失效与变形失效模式下的面积缺损限值高于耐久性限值,但松弛失效模式下的构件面积缺损限值小于耐久性限值,如按该限值要求对结构进行设计及维护将有可能发生钢索松弛失效;而安全性限值对于钢索构件较为严格,对于钢杆构件则与耐久性限值相同。因此,需综合考虑3种失效模式与规范限值,并按最严格的结果进行控制。

多点输入下结构地震反应的研究现状与对空间结构的见解

首先就多点输入下结构地震反应的分析方法介绍了国内外的研究现状,然后在对多点输入下大跨度桥梁结构的地震反应特征作简单综述的同时,侧重阐述了近年来在多点输入对建筑结构地震反应影响的研究中已取得的一些成果和结论.最后,对空间结构领域内考虑多点输入影响的研究问题提出了一些见解.

浙江科技学院学生活动中心大跨度复杂折面形屋盖结构设计

浙江科技学院学生活动中心建筑造型复杂,其屋盖和幕墙共同组成的外围护体系为复杂的空间折面结构,采用了双层网架和局部单层网壳组成的空间网格结构体系。对该结构的结构构型及其支承条件进行介绍,并对结构的静力特性、动力特性和稳定性能进行了详细分析计算。分析结果表明,该结构体系是一种能充分体现结构的力学形态和优势、合理的经济指标,且满足建筑的空间视觉效果和美观要求的结构形式。

平衡矩阵理论的探讨及一索杆梁杂交空间结构的静力和稳定性分析

首先对索杆杂交结构采用平衡矩阵理论进行了探讨。对于索杆杂交结构而言,可以根据平衡矩阵确定体系在初状态几何下的整体预应力分布和大小,但是必须考虑变形相容条件和本构关系即各个单元的柔度分布。只有满足体系柔度分布的杆件截面尺寸的结构才能最终施工张成给定的预应力分布和设计几何。由相容方程和平衡方程提出了包含局部超静定结构的索杆杂交结构的柔度分布确定方法和独立柔度分布模态这一概念。算例分析结果验证了方法的正确性。其次,对一索杆梁杂交空间结构的计算分析方法及其初步的静力及其稳定性进行了研究。基于局部分析法对索杆梁体系的预应力分布和大小进行了优化分析。在优化目标下,最优的预应力分布是外环预应力较大,中环、内环预应力要小很多。并以预应力作为整体自平衡的初始内力情况下对其进行了初步静力和稳定性分析。结果表明柔性体系和刚性体系的杂交实际上只能为刚性体系提供大变形的安全储备,而并不能有效的降低体系的挠度,但是预应力的存在却可以有效的改变梁单元轴力的性质和水平。相比单层网壳,索杆梁体系的稳定性能有了较大提高。

新型多面体空间刚架结构的建模方法研究

简单介绍了气泡理论及多面体空间刚架结构构成的基本原理,并重点研究了这类新型空间结构的建模方法.在分析通用图形软件的实体作图法建模存在的主要问题及其原因的基础上,提出基于数学解析的嵌填式建模方法,编制了相应的程序,并成功应用于北京奥运会国家游泳中心"水立方"结构.研究表明,实体作图法只适用于中小型多面体空间刚架的建模,而嵌填式方法对于大型多面体空间刚架的建模具有很高的效率.

竖向多点输入下两种典型空间结构的抗震分析

以两种典型空间结构为研究对象,考察了竖向地震作用下结构的地震反应以及竖向多点输入对结构地震反应的影响。分析表明,竖向地震一致输入在门式桁架结构和周边支承网壳结构中将产生较大的内力,因此竖向地震作用在这两类结构的抗震设计中是必须考虑的。竖向多点输入对门式桁架结构地震反应的影响很小,这种影响在结构抗震设计中可以忽略;对周边支承网壳结构来说,竖向多点输入使得网壳结构的地震内力降低,同时由于拟静力作用在支承结构中产生的内力较小,多点输入对支承结构的地震内力影响也很小。

利用张力薄膜平衡特性构造自由曲面空间结构

自由曲面空间结构不仅要满足特定的几何形态要求,而且需要具备受力均衡的力学性能.结合几何特性分析与力学性能优化,提出了基于自然界中张力薄膜平衡特性的自由曲面空间结构造型技术.将初始的准均匀B样条曲面比拟为张力薄膜,运用拉普拉斯公式与改进的动力松弛法进行优化,得到满足给定边界条件的合理目标曲面.数值实验结果表明,该造型技术简便可行,可有效地缩短自由曲面空间结构的设计周期.

空间网格结构几何非线性有限元分析方法的研究

在对 T.L/ U.L.法和 C.Oran梁柱单元有限元法进行系统研究比较的基础上 ,推导了结合以上两种理论的几何非线性有限元列式。C.Oran梁柱单元在分析轴力为主的结构时具有非常高的效率 ,但在分析纯弯曲问题时却存在很大困难。本文采用 VC+ + 6 .0编制了面向对象的非线性有限元程序 ,对其进行了考题验算分析 ,得出了有用的结论。

空间索杆式展开结构的动力学研究与分析

本文针对空间索杆式展开结构的特点,利用多刚体动力学的研究成果建立展开过程分析的动力学模型,分析了约束方程及其雅可比矩阵的形成,结合系统的约束方程来分析机构的运动状态,最后对系统的机构单元进行数值仿真计算,得到了对伸展臂的指标确定和设计有重要指导意义的数值分析结果.计算结果表明,文中结构模型的设计方案是可行的.

基于双三次B样条插值的空间结构自由曲面

双三次B样条插值曲面方法是工业造型、机械制造领域应用成熟的一种自由曲面设计方法.本文在分析空间结构曲面设计现状、需求以及不足的基础上,提出了应用C2连续的双三次B样条插值曲面方法进行空间结构自由曲面设计算法,并通过实例论证了该算法的可行性和有效性.

索杆膜空间结构协同静力分析

本文提出索杆膜空间结构静力计算的协同分析方法,并考虑索松弛和膜褶皱对结构的影响.通过算例分析并与非协同计算方法比较表明,在索杆膜空间结构中,膜片既是一种屋面材料,又是受力结构中不可缺少的一部分,而且会削弱结构的刚度,与传统的刚性屋面存在较大差别.非协同简化计算方法产生较大的误差,且计算结果偏向于不安全.因此,考虑索杆膜协同分析是十分必要的.

空间结构的发展历史、创新、形式分类与实践应用

阐述了空间结构的发展历史,根据各个时期空间结构的发展特点、形式类型和科技水平可区分为古代空间结构、近代空间结构和现代空间结构,说明了促进空间结构发展创新的因素.文中提出并论述了刚性空间结构、柔性空间结构和刚柔性组合空间结构三大类空间结构的组成及其分类方法.文中将国内外现有工程应用的38种形式的空间结构按单元组成来分类,并说明采用空间结构按单元组成分类总图来表示是可取的、清晰明了的.

浙江体育训练中心田径场看台膜结构分析

骨架式膜结构是目前应用最广泛的膜结构,运用非线性有限元理论,将找形后的膜面覆盖在骨架结构上,膜面与钢结构组成整体,采用非线性有限元方法对骨架式膜结构在自重和预张力、风荷载、雪荷载等共同作用下的反应进行了分析,对膜结构和骨架结构分开计算和整体计算模型进行了比较,得出了一些有实用价值的结论。

弦支穹顶结构工程应用和研究现状

弦支穹顶结构是由单层球面网壳和下部弦支结构组成的一种新型杂交空间结构。论文对该类结构的工程应用和研究现状进行了分析;指出其发展前景和进一步的研究方向。

Geiger型索穹顶冲击动力响应与失效机理研究

针对当前索穹顶结构缺乏冲击荷载作用下结构动力响应和失效机理的研究现状,该文基于ANSYS/LS-DYNA分析软件,提出了Geiger型索穹顶结构冲击动力分析模型,详细分析了冲击作用下结构的节点位移和杆件内力响应,并进一步结合美国规范UFC4-023-03的倒塌准则,对结构的失效模式进行评价,提出了三种失效模式,即结构轻微损伤、结构局部损伤和结构整体失效。随后,基于冲击破坏杆件数和杆件内力损伤程度,提出了结构整体损伤指数的概念,通过参数分析,探索了索穹顶结构在不同冲击物参数下整体损伤指数的变化特点及不同设计参数下的抗冲击性能。研究发现了整体损伤指数与三种失效模式之间的关系:当失效模式为结构轻微损伤时,其整体损伤指数小于0.3;当失效模式为结构局部损伤时,其整体损伤指数位于0.3~0.8之间;当失效模式为结构整体失效时,其整体损伤指数大于0.8。基于此提出了失效模式控制方程。冲击荷载越靠近结构中心,结构发生整体失效概率越大,反之则局部损伤和轻微损伤概率越大。提高初始预应力水平和杆件截面面积能有效提高结构的抗冲击性能。

空间薄膜结构展开分析模型研究综述

随着空间薄膜结构的快速发展,如何有效地实现空间薄膜结构的展开变得越来越重要,已成为航天工程所关注的关键技术问题之一.空间薄膜结构如果不能可靠展开,将会直接影响到与之相连的航天器的表面精度、信号发射等工作性能,对于航天器是否能完成预定的航天任务具有非常重要的意义.本文通过对国际上目前采用的常见空间薄膜结构的展开分析理论和实验模型进行综述,特别是对流—固耦合模型、弹簧—质点模型、控制体积模型和能量—动量模型等几种主要分析模型从理论依据、实践应用以及优缺点等方面进行了比较分析,提出了相应的修正建议,为进一步进行空间薄膜结构的展开分析具有重要的理论指导和实践借鉴意义.

国内外太阳能空间结构的应用与技术探讨

太阳能光伏技术是节能、产能、无污染的新技术，将光伏技术应用于大跨空间结构中还有很多值得探素的问题：本文介绍了光伏系统的工作原理与光伏建筑一体化的概念与分类，分析了国内外的光伏发展现状，并探讨了光伏工程在大跨度空间结构实施过程中的关键技术和太阳能光伏屋面的优化思路。

国家游泳中心结构设计与研究

正在兴建的国家游泳中心“水立方”为2008年奥林匹克运动会的游泳、跳水、花样游泳、水球比赛场地,赛后将继续提供重大水上比赛场地,同时为市民提供综合水上娱乐中心以及会议展览场地等.国家游泳中心屋盖和墙体采用了基于气泡理论的多面体空间刚架结构,为国内外首创.其构成方式是将由多面体细胞填充的巨大空间进行旋转和切割,从而得到建筑的外轮廓和内部使用空间,切割产生的内外表面杆件和内外表面之间保留的多面体棱线便形成了结构.这种新型空间结构的受力特性介于网架和空腹网架之间,结构设计面临着许多新课题.本文介绍了国家游泳中心结构设计中的关键技术问题,包括多面体空间刚架结构的几何构成与设计优化、荷载分析与取值、结构总装整体分析、静力弹塑性分析(pushover ana lys is)、动力弹塑性时程分析、节点设计与试验研究等.

玻璃建筑柔性支承结构体系的应用与研究

柔性支承结构体系玻璃建筑作为点支式玻璃建筑中最先进、最有发展潜力的结构形式 ,在国内外工程中的应用越来越多。本文对柔性支承结构体系的特点、应用与研究现状进行了简要介绍 。