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大跨空间结构的发展--回顾与展望
2021-03-04 [18829]

yabo官网-总结:大跨度空间结构是目前发展最慢的结构类型。大跨度建筑及其核心空间结构技术的发展是代表一个国家建筑科技水平的最重要标志之一。本文从空间网格结构和张力结构两个方面阐述了国内外(但主要是国外)空间结构的发展现状和前景。

明确提出了该领域的一些重要理论问题,包括空间结构的形态分析理论、大跨度柔性金属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能。关键词:大跨度空间结构的结构设计。

一、阐述在这个实际的三维世界中,任何结构本质上都是空间的,但为了修改设计和构造,人们在很多场合下把它们分解成一块块的平面结构来展开结构,进行计算。同时,不能很简单分解的真实空间系统,从来没有停止过自身的发展。而且越来越显示出一般平面结构无可比拟的丰富性和建造潜力,体现了大自然的美和神秘。

空间结构的优异工作性能表明,它们受到一定程度的三维应力,并且因为它们可以通过合理的曲面有效地抵抗外部载荷。当跨度减小时,空间结构越多,可以显示出其优异的技术经济性能。事实上,当跨度超过一定程度时,一般的平面结构往往很难成为合理的自由选择。

从国内外的工程实践来看,大部分大跨度建筑都采用了各种形式的空间结构体系。在过去的二十年里,各种类型的大跨度空间结构在美国、日本和欧洲等发达国家发展迅速。建筑跨度和规模较大。目前规模在150m左右及以上的超大型建筑都不是个别的;使用了许多新材料和技术,开发了许多新的空间结构。

比如美国新奥尔良的Superdome,1975年竣工,直径207m,多年来被指出为世界第二唯一的球面网壳;目前这个位置已经被日本福冈体育馆取代,夏季直径222米,1993年竣工。而后者更为人所知的特点是其开合能力:其球形屋顶由三个可旋转的扇形网壳组成,扇形沿圆周导轨移动,使体育馆可以处于圆形封闭、1/3开放或2/3开放等不同状态。1983年竣工的加拿大卡尔加里体育馆,采用双曲抛物面索网屋盖,圆形平面直径135m,为1988年冬奥会建造,外观非常美观,至今仍是世界第二大唯一索网结构。

自20世纪70年代以来,由于织物材料的改进,膜结构或索膜结构(索增强膜结构)得到了发展,美国建造了许多空气轴承索膜结构。1988年在东京建成的侯元棒球场,也采用了这种结构技术最先进的设备,直径204 m,类似于圆形平面;为1996年美国亚特兰大奥运会建造的geogia dome(1992年竣工)采用了精美的整体张力索膜结构,其椭圆平面的外形尺寸约为192mX241m。许多大跨度建筑气势恢宏,富有特色,成为当地的象征符号和著名的文化景观。由于经济文化发展的需要,人们仍然执着于覆盖更大的空间。

比如有人设想整个街区,整个广场,甚至整个山谷覆盖在一起,形成一个可以人为控制气候的人类凝结环境或者休闲娱乐环境;为了考古和维护古代陵墓和最重要的历史遗址,还设想使用超大跨度结构来形成封闭的环境。目前,一些发达国家正在探索300m以上超大跨度空间结构的设计方案,可以说大跨度空间结构是近三十年来发展最慢的结构形式。

《国际《空间结构》杂志主编Z.S .马考斯基说:在20世纪60年代,空间结构也被指出是一个int 从今天来看,大跨度和超大跨度建筑及其核心空间结构技术的发展已经成为代表一个国家建筑科技水平的最重要标志之一。世界各国为大跨度空间结构的发展投入了大量的研究资金。比如早在20年前,美国土木工程学会就组织了一个为期10年的空间结构研究项目,投资1550万美元。

同期,西德由斯图加特大学主办组织了大跨度空间结构综合研究计划,每年研究经费100多万马克。这些研究为各国大跨度建筑的蓬勃发展奠定了坚实的理论基础和技术条件。

国际壳与空间结构学会(IASS)每年定期举行年会和各种学术交流活动,是最受欢迎和最知名的学术团体之一。中国大跨度空间结构的基础原本脆弱,但随着国家经济实力的增强和社会发展的需要,在过去的十年里也取得了快速增长。工程实践中数量众多,空间结构的类型和形式趋于多样化,相应的理论研究和设计技术逐渐完善。

以北京亚运会(1990年)、哈尔滨冬季亚运会(1996年)、上海八运会(1997年)的众多体育建筑为代表的一系列大跨度空间结构,作为中国建筑科技进步的标志,在国内外获得了一定的影响。各种迹象说明,虽然中国还是一个发展中国家,但由于国家人口众多,国力大大增强,建设体育、休闲娱乐、展览、机场、机库等越来越大的大空间和超大空间建筑的市场需求非常丰富,这种需求在一定程度上可能会到达许多发达国家。这在中国空间结构领域是一个巨大的机遇。

然而,与国际先进设备水平相比,我国大跨度空间结构的发展仍然没有一定差距。主要表现为结构形式依然严重,不够大胆创新,精致建筑理念的诠释与先进设备的结构构造之间还缺乏理想的有机融合,尤其是150m以上超大跨度空间结构的工程实践;结构类型集中在网格和网壳结构上,桥面结构很少使用。一些很有前景的精致结构,如膜结构、索膜结构、整体张拉结构、开闭结构等。国外有许多成功的工程实践,但在国内仍处于空白或难以保存的阶段。

显然,在更加平缓的草原上漫游十几年后,中国空间结构的发展可能已经达到了一个新的水平。这一新步骤包括材料、生产条件等技术问题,以及一些尚未很好解决的理论问题。为了促进中国空间结构的进一步和更高层次的发展,科技工作者和企业家希望创造条件,更快更好地解决这些技术和理论问题。

大跨度空间结构的类型和形式非常丰富多彩,习惯上分为以下几种:钢筋混凝土薄壳结构;平栅结构;网壳结构;桥面结构;膜结构和索膜结构;近年来,国外使用较多的索穹顶基本上都是类似的索膜结构。混合结构,一般来说,是柔性构件和刚性构件的主要应用。在上述空间结构中,钢筋混凝土薄壁结构是我国在20世纪50年代末60年代初发展起来的。当时建造了一些中等跨度的球壳、圆柱壳、双曲扁壳和扭转壳。

在理论研究方面投入了很多努力,并制定了适当的设计规则。但是这种类型的结构近几天很少使用,主要原因可能是施工费时费力。平面网格结构和网壳结构也包括一些不能单独分类的类似形式,如腰板网格结构、多平面网格结构 柔性系统,如桥面结构、膜结构、索膜结构等都是通过张力来抵抗外部荷载的,可以称为张力结构。这种结构具有丰富的发展前景。

以下是根据这两个范畴对中国空间结构发展的详细说明。第二,空间网格结构往往出现在平面网格结构之前。

在国外,传统的肋环穹顶已有一百多年的历史,1940年德国建造了第一个平板网架(采用Mero体系)。我国第一批具有现代意义的网壳建于五六十年代,但数量不多。当时的柱面网壳大多采用菱形网格体系。1956年建成的天津体育馆钢网壳(跨度52m)和1961年建成的同济大学钢筋混凝土网壳(跨度40m)就是典型的例子。

球面网壳主要采用幸运环体系。1954年竣工的重庆人民大会堂半球形穹顶(跨度46.32米)和1967年竣工的郑州体育馆圆形钢屋盖(跨度64米)是仅有的两个较小的球面网壳。

此后,直到20世纪80年代初,网壳结构在我国才得到进一步发展。相对而言,自1964年第一个平面网架(上海师范大学球室,31.5mx40.5m)建成以来,网架结构一直保持着良好的发展势头。首都体育馆建于1967年,采用横向爆震矢量网格,矩形平面尺寸为99mx112m,厚度为6m。

用钢构件和高强度螺栓连接,钢指数为65kg/m2(1kg/m2为9.8pa)。1973年建成的上海万人体育馆,采用厚度6m的圆形平面三通网架,圆钢管构件,焊接空心球节点,钢材指标为每平方米47kg。

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当时的平栅在国内还是一种全新的结构形式。这两种网格的规模都很大,即使在今天仍然具有代表性,这对工程领域产生了相当大的影响。受当时体育馆建设市场需求的启发,国内高校、科研机构和设计部门对这种新结构投入了大量的力量,专业的生产安装企业逐渐壮大,为这种结构的进一步发展奠定了坚实的基础。改革开放十几年是中国空间结构发展缓慢的黄金时期,平面网格结构自然处于优先地位。

即使在北京80年代末为庆祝1990年亚运会而建造的一批体育建筑中,大部分仍采用平面网格结构。本世纪末,计算机被广泛应用于网格结构的设计,生产技术也发生了相当大的变化。预制螺栓球节点得到广泛应用,大大减缓了网架结构的安装速度。

但是事情总是没有两面性。随着平面网格结构的发展日益放缓,随着市场对经济文化建设需求的不断扩大和人们对建筑喜好品味的提高,在设计各种快速增长的大跨度建筑时,设计师感到结构形式的自由选择受到限制,无法满足日益增长的对建筑功能和建筑造型多样化的排斥。这种真实的市场需求刺激了网壳结构、桥面结构等各种空间结构的发展。

由于网壳结构和网架结构的生产条件完全相同,国内没有现成的基础。自20世纪80年代后半期以来,当适当的理论储备和设计软件的可行性完善时,网壳结构在新的条件下开始缓慢发展。网壳数量大幅减少,应用了各种形式的网壳,包括球面网壳、柱面网壳、鞍形网壳(或叉形网壳)、双曲线石明德网壳、各种异形网壳,以及上述各种网壳群;新的结构体系如预应力网和斜拉网壳(索加固网壳)也有所发展。近年来,建造了一些非常宏伟的网壳结构。

例如,1994年建成的天津体育馆采用了双层球面网壳 1995年建成的黑龙江花样滑冰博物馆,占地400米的花样滑冰滑行道。其巨大的双层网壳结构由中心圆柱壳和两端半球壳组成。其外形尺寸为86.2mx191.2m,占地面积约1.5万平方米,网壳厚度为2.1m,采用圆形钢管构件和螺栓球节点,钢材指标为每平方米50kg。

1997年刚刚竣工的长春万人体育馆,有一个圆形的桃形平面,是将肋环球面网壳的中心条形部分切除拼接而成。若含支腿,外形尺寸约为146mx191.7m,网壳厚度为2.8m m,桁架网的上下弦杆和腹杆不允许使用方(矩形)钢管,采用焊接连接。它是中国第一个方形钢管网壳。

该网壳结构的设计方案是国外明确提出的,施工图设计、制作和安装已在国内完成。在网壳结构的应用日益扩大的同时,平网格结构并没有中止自身的发展。目前这种简单的结构有自己通用的使用范围,跨度不限大小;近年来,它已被应用于一些最重要的领域。比如机场机库维修,广州白云机场80m机库(1999年)、成都机场140m机库(1995年)、首都机场2Zmx150m机库(1996年)等大型机库都采用平栅结构。

这些三面平网格结构规模非常大,需要承受较轻的悬挂荷载。经常采用重型焊接钢(或钢管)结构,有时采用三层网格结构;其单位面积钢材指数可超过一般公共建筑所用网格的1倍或1倍以上。

单层工业建筑也是近年来平板网架发展迅速的重要领域之一。为了灵活决定生产工艺,车间的柱网尺寸有日益扩大的趋势。

此时,平板网架结构成为一种经济受限的理想结构方案。1991年,建成的第一汽车厂高尔夫车安装车间占地近8万平方米(189.2mx421.6m),柱网21mx12m,采用焊接球节点网,钢材指标每平方米31kg。

这座厂房是平面网格结构,面积仅次于世界。天津无缝钢管厂加工车间于1992年竣工,占地面积6万平方米(108mx564m),柱网36mx18m,采用螺栓球节点网,钢材指标每平方米32kg,比传统平面钢桁架方案节约47%。鉴于这些车间的大圆产品,它们显然为平面网格结构的发展获得了广阔的新领域。值得注意的是,包括网格和网壳在内的空间网格结构是近十年来我国发展最慢、应用最广泛的空间结构形式。

这种结构体系整体刚度好,技术经济指标好,可以获得非常丰富的建筑造型,因此受到建设者和设计师的青睐。我国电网企业的蓬勃发展也为这种结构获得了便利的生产条件。据估计,近年来,我国每年建成的空间桁架和网壳结构占地面积约800万平方米,适宜用钢量约20万吨。这么大的数字是其他任何一个国家都无法比拟的,无愧于“电网王国”的称号,不应该被外国企业觊觎。

这么大的发展势头,自然不会带来什么问题。与国际水平相比,我国电网生产的技术水平和质量管理水平还有一定的差距。

特别是在市场需求上,大量的小电网企业如雨后春笋般,一起正式成立,难免喜忧参半,设计也不总是由有经验的人来做。因此,加强行业管理,掌握设计、制造和安装质量是重中之重。3.张力结构中国现代桥面结构的发展始于20世纪50年代末和60年代。

北京工人体育馆和杭州浙江人民体育馆是当时的两个代表作品。北京工人联合会 世界上第一座现代桥面屋顶是罗利体育馆,它于1953年在美国建成。采用两个斜抛物线拱作为边构件的鞍形矢量索网。

当时,中国建造的上述两座桥面结构在规模和技术水平上都超过了国际先进设备水平。但此后,我国桥面结构的发展长期中断,至今仍处于80年代。由于大跨度建筑的发展,对空间结构形式多样化的排斥已经明确提出。

这种形式非常丰富的新型轻型结构激发了人们的热情,在工程实践中的数量迅速增加。把它应用到形式多样化的理论研究中是非常可喜的。柔性桥面不仅本质上是不可弯曲的,而且其形状也是不确定的。需要采用穿过轻型屋盖或产生预应力等措施,使其在自身荷载作用下,呈现出一定的形状,成为具有适当刚度和形状稳定性的结构。

我们钦佩的一点是,我们的科技人员在结合项目的具体情况,构建更符合中国国情的结构,并在借鉴国外先进经验的同时应用于形式方面进行了许多尝试和创新。比如,在山东淄博等地,桥面结构应用于中小型屋面结构,很有特色。特种钢筋混凝土屋面板结构主要采用单层平行电缆系统或伞形电磁辐射电缆系统。施工时,将屋面板挂在电缆上(使电缆正好位于板缝内),将电缆临时读数在板上弯曲,然后在板缝内种植草和细石混凝土,超过一定强度后,拆除临时荷载,形成具有一定预应力的悬挂薄壳。

这种结构和施工方法不需要简单的工艺和设备,成本相对较低。为了提高单层桥面的形状稳定性,在单层平行索系上设置纵向加劲梁(或桁架)也是非常有效的。

纵向加劲构件有两个作用:一是传递可能的集中荷载和局部荷载,使其更均匀地分布到平行索上;第二,通过将纵向加强构件的两端滑动到预期的方向或通过拉伸电缆来对整个系统施加预应力,从而提高屋顶的刚度。从安徽体育馆等工程的实践可以看出,这种混合结构体系施工方便,用料省,施工顺利。由一系列屋盖索和曲率可忽略的固定索组成的预应力双层索体系是解决桥面结构形状稳定性问题的另一种有效形式。

其工作机理与预应力索网相似。1966年,瑞典工程师Jawerth在斯德哥尔摩滑冰馆首次使用了一种称为索桁架的专利系统,该系统由一对屋顶索和稳定索组成。此后,这种平面双层索系统在各国得到了广泛的应用。

该系统也用于中国无锡体育馆。吉林滑冰馆作为这一体系的改进,采用了一种新型的空间双层索系,其顶部索与固定索处于不同的平面,但距离为半柱距,从而构建出一种精致的建筑风格,解决了矩形平屋顶普遍遇到的屋顶灌水问题。

这个精致的结构参加了1987年在美国举办的国际先进设备结构展。中国桥面结构发展的另一个特点是在许多工程中使用各种人为手段。主要方式是将两个以上的预应力索网或其他桥面体系组合在一起,并设置坚固的拱顶或刚架作为中间受力,从而形成各种形式的群顶结构。

例如,四川体育馆和青岛体育馆的屋顶由两个索网和一对钢筋混凝土拱顶人作为中间力组成。北京朝阳体育馆由两个索网和一个称为索拱体系的中心受力结构组成。中央索拱体系由两个桥面和两个钢拱架组成,是一种混合结构,其概念也具有创新意义。各种组合屋顶的使用不仅进一步丰富了建筑风格,而且可以更好地满足一些建筑功能的拒绝,例如为体育馆建筑获得一个合适的内部空间。

从技术和经济的角度来看,单索网或其他桥面系统可以经济地跨越相当大的跨度,因此没有必要使用中间受力结构。所以在很多场合,使用模块化屋顶主要是出于建筑造型和功能考虑。从我国近年来的实践效果来看,在这方面起到了预期的作用。

当斜拉体系引入到屋顶垫层结构中时,可以形成一系列的混合结构。在该系统中,利用从塔柱顶部张开的斜拉索作为跨越结构(主梁、桁架、平栅等)获得一系列中间弹性力。

),这样这些跨越结构可以跨越相当大的跨度而不降低结构高度和构件截面。上述斜拉网壳也属于这种混合结构。 虽然桥面结构在过去的十年中有所发展,但与网格和网壳结构相比,它发展迅速。分析原因可能有两个:(1)桥面结构的设计计算理论比较简单,缺乏商业化程度高的简单计算程序,一般设计单位难以使用;(2)桥面结构施工虽然不简单,但一般施工单位太熟悉,不构成专业的桥面结构施工队伍,也影响施工单位和设计单位大胆使用这种结构。

同时,膜结构或索膜结构属于张力结构体系,在国外应用广泛,在我国正处于硬追赶阶段。除了设计理论储备和生产条件的原因外,国内缺乏满足建筑拒绝的膜材料也是一个主要的制约因素。根据国外情况,1970年大阪世博会美国馆采用的是空气轴承膜结构(也称充气结构),最早用于涂有聚氯乙烯(PVC)的玻璃纤维织物,受到广泛关注。其椭圆平面轴向尺寸约为14Omx835m,一般认为是现代第一个大跨度膜结构。

20世纪70年代初,杜邦公司开发了涂有聚四氟乙烯(PTFE,商品名Teflon)的玻璃纤维织物,强度低,防火性能好,自洁性好,经久耐用,对膜结构的应用起到了很大的推动作用。从那时到1984年,美国建成了一批规模在138米-235米的体育馆,全部采用空气承力索膜结构,取得了优异的技术经济效果。然而,这种结构体系往往存在一些问题,如事故中漏气或气压控制系统不稳定造成的屋顶下大头,或暴风雪造成的屋顶下大头,热风融雪系统效率严重低下。

这些问题让人们猜测自1985年以来美国大型体育场馆建设就没有使用过的空气轴承膜结构的未来。人们更关注张拉膜结构或索膜结构。但如上所述,日本1988年建成的东京侯元棒球场,仍采用空气轴承索膜结构,但应用于非常先进设备的自动控制技术,采用中间带热风的双层膜结构融雪;中央计算机自动监测风速、雪压、室内气压、薄膜和电缆的变形和内力,自动自由选择控制室内气压和避雪的最佳方法。

自20世纪80年代以来,张力膜结构在发达国家取得了长足的发展。该体系类似于索网结构,在刚性或柔性边缘构件上张拉,或通过类似结构在几个独立的国家支点上受力,通过张拉产生预应力,得到确定的形状。

沙特利雅得体育场于1985年竣工,外径288米,体育场天篷由24个形状相同的单柱帐篷式膜结构单元组成。每个单元悬挂在中心柱上,外缘通过边缘索在几个独立国家的锚固装置上拉伸突出,内缘在直径为133米的中心环索上突出。

1993年建成的丹佛国际机场候机大厅采用平面尺寸为305mx67m米的几乎封闭的张拉膜结构,由17个双支柱帐篷单元连成一排, 每个细长单元由两个距离为45.7米的撑杆拉起。这两个项目是大型张拉膜结构的典型例子。

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另外还有一种骨架受力膜结构。比如日本秋田县的Skydome就是一个两边支撑的球形穹顶(D=130m),它的主屋盖结构是一系列平行的格构式钢穹顶,用膜材料覆盖,然后利用两个穹顶之间的钢索往上走,在屋顶上形成一个V型的灌溉(雪)槽。这种骨架是受力膜结构的例子很多。

然而,美国工程师盖格(Geiger)根据富勒的张拉整体概念开发的所谓的CableDome,可能是一种微妙的张力 张拉整体最初是指由相互作用的拉杆和集中压杆组成的自平衡系统,其指导思想是充分发挥杆的不可接受作用。然而,项目中没有构建严格的张拉整体体系。盖革进行了必要的改造,明确提出了预应力拉索-压杆体系,其中拉索沿电磁辐射方向布置,屋面采用膜材料,称为索穹顶,1988年汉城奥运会首次作为两个体育馆工程使用。

美国的Levy进一步发展了这一系统,改用方形索网,使屋顶膜单元呈圆形菱形双曲抛物面形状,并作为1996年亚特兰大奥运会的体育馆使用。它的平面呈准椭圆形,大小约为24lmx192m。这种张力索杆膜体系重量极轻,安装方便,在大跨度和超大跨度建筑中有很大的应用前景。

与世界先进设备相比,我国膜结构的差距十分显著。近年来,在理论研究方面做了大量的工作。

应该说已经建立了一定的理论储备。近年来,膜结构的应用开始呈现出更加喜人的势头。1997年为庆祝上海市第八届全运会闭幕,体育场雨棚采用钢骨膜结构,总面积36100平方米,国内大型建筑首次采用膜结构;但是使用的膜材料是进口的,施工安装也是国外公司进行,比较便宜。

一个是国内已经有很多专门从事膜结构生产安装的企业,他们建了几个比较小的膜结构。国产膜材料的质量也在提高。种种迹象表明,膜结构这一极具潜力的大跨度空间结构新成员的发展已经覆盖了我国的桅杆。4.理论研究(1)通过适当的理论研究,空间结构的应用实时发展。

应该说,我们在空间结构理论的研究方面做了大量的工作。主要研究内容集中在静荷载作用下的结构性能和分析方法,主要目标是满足一般设计工作的拒绝。

这些研究为中国空间结构的发展赢得了基本的理论反对。早期的工作集中在基于互等理论的各种分析方法上,如平网格的拟板解、网壳的白鱼壳解;桥面结构在荷载作用下会产生较小的偏差,因此计算中不应考虑几何非线性。当时,发展了一系列限于不同形式的桥面结构并考虑大偏差的分析方法。

在计算机广泛应用于结构计算之前的一段时间里,各种分析方法在空间结构的发展中发挥了最重要的作用,但分析方法必然有其局限性,这些局限性不同程度地相似,往往局限于某些特定的结构形式。计算机的普及和有限元分析方法的广泛应用,为空间结构的加速发展创造了确切的条件。许多大型的和类似的精致的空间结构是计算机程序无法分析的。

20世纪80年代以来,我国编制了各种不同空间结构的计算机分析程序和CAD软件,其功能也越来越完善。现在我们完全依靠计算机来设计空间结构。事实上,在设计由数千个杆件和节点组成的大型空间网格结构时,尤其是使用螺栓球节点时,离开有限的CAD软件是不可想象的。但是也要考虑到,对于某些形式的桥面结构,非常简单的分析方法仍然是有意义的;对于双层索系等简单系统,解析力法几乎可以获得准确、原始的计算结果。

比如吉林滑冰馆的大甲板屋顶的设计,已经用非常简单的双手完成了。近十年来空间结构研究的一个特点就是做了大量的实验。这是我国结构研究领域的优良传统。每个代表 这些实验研究,加上理论分析以及二者之间的相互印证,使我们对各种可能不熟悉的精致空间结构的基本性能有了更全面的认识,为这些结构的设计积累了丰富的理论储备。

(2)除了对各种类型空间结构的基本性质和计算方法的研究之外,一些更基础的理论研究也受到了尊重。例如,对网壳结构稳定性的研究已经取得了许多重要的成果。稳定性是网壳结构尤其是单层网壳结构设计中的关键问题,也是十多年来国内外研究的热点领域。

结构稳定性的原始概念可以从荷载-位移全过程曲线中得到,这一全过程曲线应通过更精确的非线性分析得出。从非线性分析的角度进行的现场调查表明,结构的稳定性和强度是相互关联的。

结构荷载-挠度全过程曲线能清晰地反应结构强度、稳定性和刚度的整个变化过程。当现场考察基础缺乏、荷载产生方式等因素对实际网壳结构稳定性能的影响时,也可以从全过程曲线的规律性变化来研究。然而,当无法对大量尺寸的简单系统进行有效的非线性有限元分析时,很难对网壳结构进行全过程分析。长期以来,人们被迫用倒易理论(白鱼壳法)将网壳转化为倒易壳结构,然后用一些近似的非线性分析方法计算壳结构的稳定承载力。

这种方法看似有小的局限性:倒易壳稳定理论本身并不完备,实际上只有少数特定的壳(如球壳)才能画出简单的公式;此外,所讨论的壳体通常厚度相等且各向同性,这不能反映实际网壳结构的不均匀分布结构和各向异性。因此,在许多最重要的场合,有必要依靠精细的模型试验来测量稳定承载力,并与可能的计算结果相互验证。随着计算机的发展和广泛应用,非线性有限元分析方法正在蓬勃发展,并逐渐成为结构稳定性分析的有力工具。

自20世纪80年代末以来,我国也积极开展了基于非线性全过程分析的网壳结构稳定性研究。本文在总结国外已有成果的基础上,从理论表述的准确性、平衡路径追踪计算方法的合理搭配、灵活的递归策略等方面进行了深入细致的探索,使大量维度的简单结构系统的全过程分析成为可能。并编制了相应的分析程序。另外,在研究初始缺失对网壳稳定性的影响时,对完全一致的缺失模式需求(即指出初始缺失模式在屈曲模式以下产生时可能具有最有利的影响)的合理性和有效性进行了细致论证和规范。

在上述理论结果的基础上,利用大尺度参数分析方法,发展了一种简单的网壳结构稳定性分析方法。也就是说,不同类型的网壳结构融合在一起,在其基本参数(几何参数、结构参数、荷载参数等)的共同变化范围内。

),对实际结构进行大规模全过程分析,对推导结果进行统计分析和总结,实地考察网壳稳定性的变化规律,最后通过再入分析明确提出网壳稳定性的简单验算公式。近年来,对各种形式的实际尺寸网壳结构共进行了2800多个案例的全过程分析,取得了非常有规律的结果。明确提出的简单公式使用简单,但基于精确的分析方法。

这项工作不被很多设计部门看好。这些公式已被列为我国网壳结构的技术规范 指出风荷载的动力作用可能不是网壳结构设计的主要问题,但随着网壳规模的减小,深入研究其外部抗震性能具有重要意义。

在抗震领域,对高层和高层结构的研究比较明确;然而,大跨度结构如网壳结构的动力性能具有不同的特点。比如频率分布密集,前几十阶振型可能从阶以下贡献其地震响应。

因此,一般的模式分解方法是否有局限性是一个有待探索的问题。不同方法(包括线脚)地震引起的响应往往是同量级的,所以考虑多维输出可能是一个很重要的问题;国外已建和我国未来将建的一些超大跨度网壳规模很大,计算时可适当考虑地震动力的空间相关性;此外,单层网壳结构在静力荷载作用下的稳定性是设计中最重要的因素,在地震荷载作用下不存在一定程度的动力失稳问题。有多严重?对于一些动力响应过大的网壳结构,是否适当采取了必要的振动控制措施?这样的问题都是中国学术界正在学习思考或者已经开始研究的问题。

(4)曲面形状的空间结构是充分利用形状抵抗外力的结构形式。因此,空间结构的形态设计(或从李飞小童分析的角度称之为形态分析)具有最重要的意义。

对于钢筋混凝土薄壳、钢网壳等刚性体系,形状分析主要涉及结构几何形状的优化。对于索网、膜、索膜等柔性结构体系,形态分析具有更基本的意义,因为在一定的边界条件下,柔性体系只有在没有必要的预应力时才具有确定的形状,而且其中的几种形状随着应力条件和形式上产生的预应力而变化;因此,结构设计的主要内容是所谓的找形,以确定形状-预应力-应力状态综合系统与拒绝之间的最佳组合。非线性有限元分析方法通常用于寻找形状,但理论上预期会有定型。

类似的方法,如英国巴恩斯等人明确提出的动力松弛法和德国林克维茨等人明确提出的力密度法,也可以成功地应用于某些特定类型的问题。近年来,日本班固明确提出形态分析的概念,试图进一步系统化空间结构的形态设计理论,具有重要意义。这个理论需要以后发展。

我国在桥面结构和膜结构的找形分析或初始平衡状态分析方面做的工作还不多,并编制了相应的软件。未来应在以下两个方面进行更系统的理论研究:一方面,在总结现有分析方法的基础上,建立统一的形态分析理论,结合计算机图形学,系统跟踪柔性空间结构形成和受力的全过程,形成合适的软件;另一方面,在形态分析理论的基础上,明确提出了空间结构几何的优化准则和分析方法。(5)柔性系统,如膜结构、索膜结构等,固有频率低,是风敏感结构,因此研究这类结构的风振响应及其抗风设计方法非常重要。

本课题理论可玩性小,国内外研究较少,很多方面基本空白,积极开展此项研究意义重大。我们对桥面结构的风振进行了研究。针对这种大跨度柔性结构频域长、频率分布密集的特点,明确提出了仅限于随机风振响应的分析方法;此外,针对桥面结构的非线性系统,明确提出了广义风振系数的概念,并通过大尺度参数分析,明确提出了椭圆形和菱形平面常用索网结构的简单计算方法。

还组织了适当刚性模型和气动弹性模型的风洞实验。对于不同的结构体系,其风振特性也是不同的。

采用传统屋面材料的桥面结构整体工作性能较好(局部变形较小),结构整体偏差对气流场变化不大。这类结构从风到风的振动一般归类为极限随机振动。膜结构和索膜结构有不同的特点。

膜既是受力构件,又是覆盖材料,重量轻,表面薄,结构局部刚度小。当风吹下来时,局部膜单元的加速度和速度响应较小,可能会影响周围空气流场的速度,引起气动弹性反应和颤振。

因此,在研究膜结构和索膜结构的风致振动时,应进行理论分析和风洞实验研究,以处理可能出现的动力失稳问题。笔者坚信,在做好上述理论研究工作后,我国将在大跨度空间结构领域形成一个相对完整的理论体系,并跻身于世界先进设备的行列,从而为我国大跨度建筑的进一步发展获得足够的理论支撑。

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