建筑膜材预张力值测试的理论和实验研究

建筑膜材具有独特优美的外观造型，在我国已被广泛应用于各类公共建筑中。在膜结构设计和制作方面，我国已取得了许多成果。但就技术体系的整体而言，我国与发达国家相比还有相当差距。其中，最突出的是缺少有关建筑膜材在施工完毕后预张力值测试的相关技术和设备。在实际工程中，无法检验膜的预张力值是否达到和满足设计要求,由此已经引发了许多工程事故。本项目进行膜材实际预张力值测试的理论和实验研究，为实测设备的研制提供基础，填补我国的空白，力争达到国际领先水平。本项目研究涉及理论分析、数值计算、实验方法、测试技术等相关方面，促进了结构工程与高新技术的结合和交叉，项目成果可以提升我国膜结构技术体系的整体水平，满足实际工程的需求，确保我国各类膜结构工程的安全性，推动我国这一行业的健康发展，为相关标准的制订提供理论依据和技术条件。 2100433B

由于结构构成机理的特殊性，结构刚度是索网、索穹顶等柔性预张力结构在役期性能评价的核心内容。本项目提出了一种以需求刚度为监测重点的在役期柔性预张力结构刚度性能评价新思路并开展相关的理论研究。以刚度解析理论研究为出发点，目的是能够在结构层面区分线弹性刚度和几何刚度的贡献大小，且能定量描述构件自身弹性刚度和预张力对结构整体刚度的贡献。研究数值方法用于从结构整体刚度中分离出抵抗结构主控荷载变形的需求刚度分量，并以此作为评价在役期结构刚度性能的重点。为配合动力方法对结构刚度的直接检测，研究最能体现需求刚度的结构特征模态的解析方法，并发展相应的传感器优化布置理论。研究基于实测结构模态参数识别结构需求刚度损伤的方法，进而利用刚度解析理论提出能指导结构刚度缺陷修复和补偿的理论方法。

由诸多因素引起的预张力偏差容易导致在役期内柔性预张力结构的刚度发生退化。因此，对此类结构进行刚度监测是工程中面临的重要问题。本项目提出了一种以关键刚度为监测重点的在役期柔性预张力结构刚度性能评价新思路。通过刚度解析分离出了对主控荷载所引起变形起主要抵抗作用的刚度分量，将其定义为重点监测的关键刚度。理论上阐明可通过监测少量模态（目标模态）的参数变化来评价结构关键刚度的变化。建立了目标模态集合的扩展方法以考虑预张力偏差引起的模态变化。提出了阶跃激励荷载的优化方法来增大结构振动响应中目标模态的能量占比，进而提高密频区域内目标模态的识别精度。为保证在役期内实际结构关键刚度的监测精度，提出了面向实际结构目标模态测试的策略，并给出了一种基于贡献模态的振型扩展方法。建立了实际结构关键刚度评价的位移指标，并且分别从静力位移测试和动力模态测试的角度给出了实际结构位移的监测方法。对于结构关键刚度出现损伤的情况，提出了一种基于模态修复的刚度补偿方法并给出了一种补张拉索的优选策略。通过数值分析和模型试验，验证了本研究所提出的目标模态测试理论、刚度性能评价方法和刚度补偿策略的有效性。 2100433B

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。