新型大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新研究與奧運工程應(yīng)用.pdf

1、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是工程結(jié)構(gòu)學(xué)科中先進(jìn)、科學(xué)、高效的新興分支學(xué)科，既能創(chuàng)造新穎輕巧的現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)體系，又能顯著改善結(jié)構(gòu)受力，提高承載力，增大剛度和穩(wěn)定性，減輕自重，節(jié)約鋼材，降低造價。大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系屬于大跨空間結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的前沿課題之一。本文調(diào)研了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)外研究文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)，以2008奧運會工程建設(shè)為契機，在國家自然科學(xué)基金、北京市科委科技奧運專項等項目資助下，落實“科技奧運”理念，立足自主創(chuàng)新精神

2、，進(jìn)行了新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新及其奧運工程應(yīng)用，論文主要取得如下研究成果：
　　 新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂節(jié)點構(gòu)造與結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新，包括授權(quán)國家發(fā)明專利V字型徑向索弦支網(wǎng)格穹頂、索桿弦支穹頂、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)撐桿可調(diào)節(jié)節(jié)點連接裝置、多次預(yù)應(yīng)力弦支穹頂?shù)取＿@些成果顯著消除撐桿端彎矩，調(diào)整撐桿長度對體系施加預(yù)應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)傳力更清晰，顯著改善受力，方便施工，提高豎向和橫向整體穩(wěn)定性和極限承載力，充分發(fā)揮材料強度，節(jié)約材料，降低

3、造價，使弦支穹頂結(jié)構(gòu)突破了國際上46米跨度的限制，為我國設(shè)計、建成世界上第一個新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)提供了堅實的科學(xué)依據(jù)。
　　 首次提出了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法。解決了性態(tài)變量與幾何變量的耦合問題，實現(xiàn)幾何形狀、預(yù)應(yīng)力度、截面尺寸的同步優(yōu)化，優(yōu)化模型和程序與現(xiàn)行規(guī)范相結(jié)合，除考慮鋼構(gòu)件和索的強度約束外，還考慮鋼構(gòu)件的構(gòu)件穩(wěn)定性約束、結(jié)構(gòu)整體位移約束，并考慮荷載多工況作用，實現(xiàn)優(yōu)化理論研究與重大工程應(yīng)用相

4、結(jié)合，成果達(dá)到工程應(yīng)用水平，成功應(yīng)用子2008奧運會羽毛球館大跨度鋼結(jié)構(gòu)體系方案選型及設(shè)計，設(shè)計完成的第一個新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系，用鋼量低至62kg/m2，節(jié)約鋼材38％，達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)體系合理、輕盈與建筑造型優(yōu)美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟雙優(yōu)目標(biāo)。
　　 基于概率理論，提出了適合于具有初始缺陷弦支穹頂結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性分析的初始缺陷概率法。采用該方法全面研究節(jié)點施工定位偏差、桿件初偏心、索的初拉力偏差、材料彈性模量偏差

5、諸多初始缺陷對弦支穹頂結(jié)構(gòu)非線性整體穩(wěn)定性和極限承載力的影響，并與傳統(tǒng)的特征值屈曲模態(tài)法進(jìn)行對比分析。研究表明初始缺陷概率法能夠充分反映弦支穹頂結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和極限承載力受初始缺陷的影響規(guī)律，初始缺陷的分布和大小更加合理，并且是偏于安全的。初始缺陷概率法在2008奧運會羽毛球館弦支穹頂結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析中得到有效應(yīng)用，驗證了該方法的適用性。
　　 2008奧運會羽毛球館1:10縮尺模型的靜力、整體穩(wěn)定性能及施工張撾模擬試驗研究。采

6、用數(shù)值模擬加載和試驗?zāi)Ｐ图虞d兩種方法，研究了在成型前、施工張拉過程中、成型后、三倍超載直至極限加載破壞整個過程的力學(xué)性能。獲得模型的構(gòu)件內(nèi)力、節(jié)點位移、支座水平位移的變化規(guī)律，得到代表整體穩(wěn)定性能的極限荷載的理論值和試驗值，驗證了設(shè)計。研究了活荷載不對稱分布對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得到模型整體失穩(wěn)的破壞形態(tài)和破壞機理及極限承載力。選取4種張拉方案進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬和模型試驗，通過索力、節(jié)點位移、構(gòu)件應(yīng)力的對比分析確定了最優(yōu)的張拉方

7、案。
　　 提出了全新的模擬預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)施工全過程的索力預(yù)松弛法，全面分析節(jié)點施工定位偏差、施工溫度、施工臨時支撐、索撐節(jié)點摩擦力等對張拉施工的影響規(guī)律，采用此法與摩擦單元、節(jié)點耦合技術(shù)、局部降溫方法結(jié)合準(zhǔn)確模擬了施工的真實全過程，得到各因素對結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工的影響規(guī)律。對2008奧運羽毛球場館新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)實際工程進(jìn)行了施工模擬仿真分析，預(yù)演了真實的張拉過程，為張拉方案和張拉控制參數(shù)的選取及施工驗收標(biāo)準(zhǔn)的確定提供了

8、重要依據(jù)。
　　 針對2008類運會羽毛球館屋蓋新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)組成和布局特點，研制了一套完整的實時全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)。在施工張拉階段及結(jié)構(gòu)全壽命服役期中對整個結(jié)構(gòu)包括索力、網(wǎng)殼構(gòu)件內(nèi)力、網(wǎng)殼節(jié)點位移變化的全過程實時監(jiān)控，為工程的驗收提供了重要依據(jù)，驗證了結(jié)構(gòu)在服役期的安全性。目前該系統(tǒng)仍在監(jiān)控狀態(tài)，確保了結(jié)構(gòu)安全、健康運行。長期的監(jiān)控將獲得大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)內(nèi)力的長期變化規(guī)律，對結(jié)構(gòu)剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測，適時提出預(yù)

9、應(yīng)力的補償措施。
　　 本文的研究工作及成果貫穿于新型大跨度預(yù)應(yīng)力弦支穹頂結(jié)構(gòu)的體系創(chuàng)新、優(yōu)化設(shè)計、模型試驗、施工張拉及控制、服役期全壽命健康監(jiān)控全過程，理論、試驗研究與重大工程實際相結(jié)合，圓滿解決了結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的多個關(guān)鍵技術(shù)難題，突破國際上弦支穹頂結(jié)構(gòu)46m跨度的限制，為實現(xiàn)93米新型大跨度弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系提供了堅實的創(chuàng)新成果支撐，達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)體系輕盈與建筑造型優(yōu)美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟雙優(yōu)目標(biāo)。研究成果在2008年