复杂张拉结构施工误差的控制理论研究

复杂张拉结构在实际工程中应用广泛。对于复杂张拉结构，采用“定尺定长索”设计与施工，更易找到其初始预应力态，经济美观且施工成本低。本报告对复杂张拉结构，在使用“定尺定长索”的设计与施工时的索长误差控制的相关问题进行研究，并给出了相应的控制方法或解决方案。 首先，对于复杂张拉结构，明确在使用“定尺定长索”设计与施工时，初始索长误差是最关键的施工误差，并利用平衡矩阵理论，推导证明了初始索长误差分析中的一些基本假设及前提。接着，对肋环型索穹顶结构进行了初始索长误差的敏感性分析。在敏感性分析的基础上，引入随机数学中的可靠度理论以及非线性数学规划方法，提出了初始索长误差控制限值的计算方法。在此基础上，研究了拉索制造的质量控制水平、预应力态下容许的索力偏差大小，以及结构可靠度容许限值对初始索长误差控制限值的影响，为张拉结构设计与施工提供了索下料长度控制的误差标准。同时，研究了采用“定尺定长索”设计与施工时，张拉结构全生命周期内，不同温度作用对张拉结构的影响，并根据影响性质的不同将其分为作用于整体结构及作用于部分构件两类。在此基础上，研究了两类温度作用对结构的影响与边界支承条件的关系。此外，以实际建造的肋环型索穹顶结构为例，提出了温度作用控制范围的计算方法，并给出当温度作用超过限值时，通过调整索下料长度补偿温度作用影响的方法。 本报告还提出了索网幕墙结构体系变形预调值的计算方法。在进行变形预调的情况下，对比分析获得了对安装玻璃影响最小的优化安装顺序。研究了索网幕墙结构在采用“定尺定长索”设计与施工时，整索初始索长误差和节点连接标定偏差对结构的影响，提出了同时考虑这两种误差的施工误差限值计算方法。 最后，本报告设计了平面投影为矩形的肋环型索穹顶模型进行试验研究。通过不同荷载工况的试验进一步研究了矩形平面肋环型索穹顶的结构特性，在此基础上分析了各类构件的误差敏感性，最后通过试验研究初始索长误差对荷载态的影响，验证了前文相关结论。 2100433B

近年来空间张拉结构获得了广泛应用。对于拉索众多、索网构型复杂的张拉结构，其索系相互作用较强，形与力的密切联系使得依据现场索力实测结果进行索长调整的传统张拉方法很难将索力与几何位形调整到设计状态,而且拖延工期、增加施工成本。新近发展的定尺定长设计与张拉方法能有效解决上述问题，但该方法无法纠正加工、安装与张拉等过程中产生的大量随机施工误差，因而需要依据结构类型确定各类施工误差的限值。现有相关技术规程，均以单根拉索的制作与安装水平孤立地界定其加工误差，尚没有基于结构性能确定误差控制及评定标准，难以有效控制整体结构的误差效应及影响。本项目将通过理论分析与模型试验，对复杂张拉结构施工误差的影响与敏感性开展研究，确定其施工误差的非简单叠加原理及合理分布模式，根据结构可靠度理论确定各种类型张拉结构中不同构件施工误差的控制范围，研究成果将为复杂张拉结构的设计、施工及验收提供依据。

几何误差是造成索网、索穹顶等此类柔性预张力结构初始形态偏差的主要因素，有效地控制几何误差效应是该类结构张拉施工的关键技术问题。本项目以几何误差为着眼点，在柔性预张力结构随机几何误差效应及其敏感性分析理论研究的基础上，进一步对该类结构体系的张拉设计分析理论、张力调整和模型修正分析理论以及技术评定的定量化分析方法三个层面的问题进行深入研究。本项目还将借助索穹顶结构的施工张拉模型试验来考察理论研究成果的正确性，并对以控制几何误差效应为目的的施工张拉技术和张力调整技术进行研究。本项目旨在建立一套较为系统的，以几何误差效应分析为基础的柔性预张力结构张拉施工的分析理论和方法，为该类结构的设计、施工和评定提供理论和技术上的支持。

本项目的研究成果包括六方面内容：（1）建立了索杆张力结构构件随机几何误差的数学模型以及结构预张力偏差效应计算分析方法；（2）建立了基于方差的索杆张力结构预张力偏差敏感性分析方法；（3）进一步完善了索杆张力结构施工张拉成形分析方法，提出了索杆机构运动形态稳定性的判别准则及分岔路径的跟踪方法；（4）基于几何误差效应分析理论，建议了一套结构张拉方案有效性的定量评价方法和主动张拉索的优选策略；（5）根据杆件内力增量方差对主动索索长增量方差的敏感性，提出了一套结构预张力偏差监测和调整的分析方法。（6）结合两个实际工程，对索杆张力结构预张力偏差的施工验收标准制定方法提出了建议。 2100433B

误差理论的应用与研究，已经历200年的历史，它伴随着生产与科技而并行发展，总体进程可分为经典误差理论和现代误差理论两个阶段，经典误差理论以严格统计理论为基础，主要限于以随机误差为对象的一系列数据处理方法现代科技的发展，暴露出它存在许多不足现代误差理论则以传统理论与现代化理论和实践相结合为原则，以多种性质不同的误差为对象的处理方法，具有明显的实用性特征。

分析误差理论产生与发展的漫长过程，可以看出始终困扰着的一个重要因素就是如何处理测量数据隐含的系统误羌初期的经典误差理论仅有误差这个概念，而且是采用统计理论来处理测量结果和进行误差评定，很显然这是认为测量数据中只存在随机误羌但是在长期的科学实践中，一些著名科学家发现影响测量准确度的因素不仅仅是随机误差，而且还有其他因素，提出了误差的可分性，即将误差进一步分为随机误差(偶然误差)系统误差和粗大误差等三类，并给出相应的处理方法，即剔除粗大误差、修正系统误差，而用随机误差统计参量来评定测量结果的精度从误差的单一性发展到误差的可分性，这是误差理论的重要进步虽然它对系统误差的处理还不完善，特别是还不能发现所有的系统误差，在测量结果中仍存在系统误差影响，但它明显提高了测量数据处理的科学性和误差评定的可靠性。

本世纪中期，随着测量准确度的不断提高，对测量数据处理的要求也愈来愈高，科技工作者在深入研究随机误差和系统误差的处理理论基础上，提出了误差转化概念，即认为在一定条件下，某些随机误差和系统误差可以互相转化，其中特别是将系统误差进一步分为己定系统误差和未定系统误差两类，并给出相应处理方法即对己定系统误差进行修正，而对未定系统误差则计入测量结果的精度评定，这是误差理论又一次重要发展，并由此必然提出了一个新问题，即在测量结果的精度评定中必须包含随机误基转化后的随机误差和只知误差限的未定系统误差，对这些误差需用一个误差数值来表示，为此必须进行误差合成 。