劲性支撑穹顶结构的力学性能和施工方法研究

1针对索穹顶结构杆件定位困难、杆件几乎不存在自然刚度等缺点，项目提出了劲性支撑穹顶结构，该结构上层是索网体系，下层为刚性杆支撑，除竖向撑杆外，其它刚性杆均为高强钢拉杆。针对劲性支撑穹顶结构的力学性能和施工方法等展开理论和试验研究，主要涉及结构工作机理、静动力性能、找形方法、施工方法、敏感性、风振响应分析、节点构造等内容。项目主要研究成果如下：（1）揭示了劲性支撑穹顶结构的结构合理性和工作机理。（2）给出了结构的静动力力学性能和参数影响规律，阐释了单索破坏对结构静力性能的影响规律，并对杆件的重要性进行排序。（3）推导了无应力索长的计算公式，并给出了公式适用条件。（4）给出了劲性支撑穹顶结构找形的FEDR算法，并给出了该方法的分析程序。（5）提出了中心场地拼装逐步张拉提升的施工方法，编制了算法程序，并对其进行了模型试验研究。（6）分析了劲性支撑穹顶结构的敏感性，依据敏感性对杆件进行分类。（7）分析了风荷载下劲性支撑穹顶结构的响应变化规律。（8）提出了劲性支撑穹顶结构的节点构造。（9）给出了劲性支撑穹顶结构的设计施工一体化方法。项目的研究成果必将推进劲性支撑穹顶结构应用于工程实践。 2100433B

劲性支撑穹顶结构是基于索穹顶发展出的一种新型空间张拉结构体系，该结构上层采用预应力空间索网，下层由刚性杆支撑。它可克服索穹顶结构的施工张拉成形不容易控制的问题，使施工过程相对简单。项目基于课题组的发明专利- - 劲性支撑穹顶结构进行结构的力学性能、设计方法和施工技术的理论分析与试验研究。力学性能围绕劲性支撑穹顶结构的静动力特性、抗风以及节点构造进行相关研究，基于理论分析和试验研究，依托参数分析，提出设计方法与节点构造。施工方法研究，重点针对大跨度劲性支撑穹顶结构施工成形过程中的张拉问题，进行施工过程仿真模拟与模型试验，以期建立一套完整的地面拼装高空提升一次张拉成形的施工方法，开发集成设计施工一体化的应用软件，为工程应用提供技术基础。劲性支撑穹顶结构是一种轻质高效、杆件定位容易、结构合理的新型空间张拉体系，项目成果对于我国空间结构体系创新具有重要意义。

索穹顶结构是由拉索和压杆组成的张拉整体、刚柔组合的大跨空间结构。碳纤维复合材料（CFRP）具有轻质、高强、耐腐蚀、可设计性能良好等优点。将CFRP材料应用于索穹顶结构中的关键构件（索和压杆），可充分发挥材料和结构两者优势，形成更加节能环保、高强耐久的新结构。本课题针对新型碳纤维索穹顶结构展开系统研究，具体如下： （1）提出考虑结构自重、预期荷载等的预应力分布求解方法，基于所提组矩阵理论进行了结构找力分析，基于动力松弛法进行了索穹顶结构找形分析。 （2）基于CFRP索杆特点和节点设计要求，提出了四种新型节点，进行了新型节点设计研究。 （3）通过对粘结式锚具进行拉伸和低周疲劳试验，得出各类长度锚具的锚固性能和影响因素；综合夹片式和粘结式CFRP索锚具特点，提出和设计了一种新型的内嵌钢珠式CFRP索锚具，通过试验验证了其优越的可靠性能。 （4）通过对CFRP压杆不同弹性约束下的受力性能进行理论推导、数值分析和实验研究，确定新型压杆各类失效模式和影响参数；提出了弹性约束CFRP杆（管）受压承载力理论公式和临界长细比。 （5）通过构型研究，提出各组成单元拓扑关系、CFRP索穹顶结构节点和锚具设计方法、施工和张拉成形方案等。通过两次静力试验和数值分析等掌握了新结构的静力性能和失效模式。 （6）分析了初始预应力、矢跨比、构件截面面积以及荷载作用形式对结构性能的影响； （7）自行设计了振动台试验模型、优化其施工及张拉成形方案和配重方案、索穹顶的自振特性和结构响应测量方案，完成了CFRP索穹顶结构的地震模拟振动台试验，含8种类型地震波共39个工况。试验结果与数值模拟符合较好，表明两者均合理可靠。 （8）研究对比了普通波和强震波、普通波和近场波、普通波和长持时波、近场波和长持时波多种情况下CFRP索穹顶结构的动力响应，并通过CFRP索穹顶结构抗震性能评价证明其拥有很好的抗震性能，提出了抗震设计建议，新结构可推广应用于强震区。 （9）探讨了新结构抗风性能并提出了设计建议。 （10）提出一种将形态分析和结构优化设计相结合的优化设计新思想，考虑预期荷载对结构几何形态的影响，能够保证优化设计结果满足结构优化和形态的双重要求； （11）结合本课题研究成果和实践经验，提出索穹顶结构设计流程和建议，包括形态和荷载分析、优化设计、抗震抗风、节点设计、锚具设计、构件设计和施工等。 2100433B

在胶合木穹顶结构下适当增加撑杆和拉索，形成弦支穹顶结构体系，这样既增加了结构的刚度，又可跨越更大的空间，还可节省木材用量。由于木材的蠕变特性，在弦支胶合木穹顶结构的施工阶段，预应力施加程序受到蠕变的影响，因蠕变引起的预应力损失大于相应的弦支钢穹顶结构；在弦支胶合木穹顶结构的服役阶段，蠕变导致结构的形状发生改变，而大跨度穹顶结构的工作性能对形状的改变是非常敏感的，蠕变对大跨度结构的影响较其他结构更加显著。对于弦支胶合木穹顶结构而言，蠕变对张拉过程中预应力的损失影响和蠕变对结构长期性能的影响就显得尤其关键。本项目重点针对木材的蠕变特点，立足蠕变对结构性能的影响，拟通过对胶合木的蠕变和典型节点的蠕变进行试验研究，建立相应的蠕变本构模型和蠕变数值计算方法，运用数值模拟方法对弦支胶合木穹顶结构性能进行深入系统的研究。