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新型大跨度弦支穹顶结构体系创新研究与奥运工程应用

刘学春  
【摘要】: 预应力钢结构是工程结构学科中先进、科学、高效的新兴分支学科,既能创造新颖轻巧的现代钢结构体系,又能显著改善结构受力,提高承载力,增大刚度和稳定性,减轻自重,节约钢材,降低造价。大跨度弦支穹顶结构体系属于大跨空间结构和现代预应力钢结构领域的前沿课题之一。本文调研了预应力钢结构的研究现状,对国内外研究文献进行了总结,以2008奥运会工程建设为契机,在国家自然科学基金、北京市科委科技奥运专项等项目资助下,落实“科技奥运”理念,立足自主创新精神,进行了新型大跨度预应力弦支穹顶结构体系创新及其奥运工程应用,论文主要取得如下研究成果: 新型大跨度预应力弦支穹顶节点构造与结构体系创新,包括授权国家发明专利V字型径向索弦支网格穹顶、索杆弦支穹顶、预应力钢结构撑杆可调节节点连接装置、多次预应力弦支穹顶等。这些成果显著消除撑杆端弯矩,调整撑杆长度对体系施加预应力,使结构传力更清晰,显著改善受力,方便施工,提高竖向和横向整体稳定性和极限承载力,充分发挥材料强度,节约材料,降低造价,使弦支穹顶结构突破了国际上46米跨度的限制,为我国设计、建成世界上第一个新型大跨度预应力弦支穹顶结构提供了坚实的科学依据。 首次提出了预应力钢结构优化设计的改进粒子群优化算法。解决了性态变量与几何变量的耦合问题,实现几何形状、预应力度、截面尺寸的同步优化,优化模型和程序与现行规范相结合,除考虑钢构件和索的强度约束外,还考虑钢构件的构件稳定性约束、结构整体位移约束,并考虑荷载多工况作用,实现优化理论研究与重大工程应用相结合,成果达到工程应用水平,成功应用于2008奥运会羽毛球馆大跨度钢结构体系方案选型及设计,设计完成的第一个新型大跨度预应力弦支穹顶结构体系,用钢量低至62kg/m2,节约钢材38%,达到钢结构体系合理、轻盈与建筑造型优美的协调统一,实现结构安全、经济双优目标。 基于概率理论,提出了适合于具有初始缺陷弦支穹顶结构整体稳定性分析的初始缺陷概率法。采用该方法全面研究节点施工定位偏差、杆件初偏心、索的初拉力偏差、材料弹性模量偏差诸多初始缺陷对弦支穹顶结构非线性整体稳定性和极限承载力的影响,并与传统的特征值屈曲模态法进行对比分析。研究表明初始缺陷概率法能够充分反映弦支穹顶结构整体稳定性和极限承载力受初始缺陷的影响规律,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奥运会羽毛球馆弦支穹顶结构整体稳定分析中得到有效应用,验证了该方法的适用性。 2008奥运会羽毛球馆1:10缩尺模型的静力、整体稳定性能及施工张拉模拟试验研究。采用数值模拟加载和试验模型加载两种方法,研究了在成型前、施工张拉过程中、成型后、三倍超载直至极限加载破坏整个过程的力学性能。获得模型的构件内力、节点位移、支座水平位移的变化规律,得到代表整体稳定性能的极限荷载的理论值和试验值,验证了设计。研究了活荷载不对称分布对结构整体稳定性的影响规律,得到模型整体失稳的破坏形态和破坏机理及极限承载力。选取4种张拉方案进行了有限元数值模拟和模型试验,通过索力、节点位移、构件应力的对比分析确定了最优的张拉方案。 提出了全新的模拟预应力钢结构施工全过程的索力预松弛法,全面分析节点施工定位偏差、施工温度、施工临时支撑、索撑节点摩擦力等对张拉施工的影响规律,采用此法与摩擦单元、节点耦合技术、局部降温方法结合准确模拟了施工的真实全过程,得到各因素对结构设计、施工的影响规律。对2008奥运羽毛球场馆新型大跨度预应力弦支穹顶结构实际工程进行了施工模拟仿真分析,预演了真实的张拉过程,为张拉方案和张拉控制参数的选取及施工验收标准的确定提供了重要依据。 针对2008奥运会羽毛球馆屋盖新型大跨度预应力弦支穹顶结构组成和布局特点,研制了一套完整的实时全寿命健康监测系统。在施工张拉阶段及结构全寿命服役期中对整个结构包括索力、网壳构件内力、网壳节点位移变化的全过程实时监控,为工程的验收提供了重要依据,验证了结构在服役期的安全性。目前该系统仍在监控状态,确保了结构安全、健康运行。长期的监控将获得大跨度弦支穹顶结构内力的长期变化规律,对结构剩余使用寿命进行预测,适时提出预应力的补偿措施。 本文的研究工作及成果贯穿于新型大跨度预应力弦支穹顶结构的体系创新、优化设计、模型试验、施工张拉及控制、服役期全寿命健康监控全过程,理论、试验研究与重大工程实际相结合,圆满解决了结构设计和施工中的多个关键技术难题,突破国际上弦支穹顶结构46m跨度的限制,为实现93米新型大跨度弦支穹顶结构体系提供了坚实的创新成果支撑,达到钢结构体系轻盈与建筑造型优美的协调统一,实现结构安全、经济双优目标。研究成果在2008年奥运会羽毛球馆预应力钢结构设计、施工及全寿命健康监控中得到成功应用,为我国建成世界上第一个新型大跨度预应力弦支穹顶结构作出了重要贡献,积累了宝贵的基础研究和工程应用经验,推动了大跨度预应力弦支穹顶结构在我国重大工程中的推广应用,对于落实“科技奥运”的理念和“节俭办奥运”的精神,推动我国预应力钢结构科学发展,具有特别重大和深远的意义。


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