膜结构的施工成形模拟与误差控制研究结题摘要

本项目采用数值分析、试验研究等方法对膜结构施工成形问题展开了深入的、系统的研究，主要包括：(1)提出了膜结构施工成形的全过程数值模拟方法。该方法先根据平面裁剪片的几何形状求解出拼接粘贴后的无应力初始形态，再对该初始形态进行充气或张拉的数值模拟，从而获得最终的成形形态。该方法的准确性和有效性已通过数值算例和实验结果进行了证明。它为施工过程的跟踪分析及施工方案的确定、施工误差的分析等研究工作提供了基础研究手段；(2)考虑施工误差的随机性和各误差参数的耦合作用，提出了膜结构施工成形的误差分析方法。选取膜材厚度偏差、膜材弹性模量偏差、边界偏差、气压偏差等作为主要影响因素并建立了各误差的随机模型。根据拉丁超立方抽样法进行随机抽样，采用基于回归和相关的全局敏感性方法对膜结构进行了分析。分析揭示了各误差源与成形精度的敏感度关系，并据此进一步为成形精度控制提供了合理化建议；(3)考虑应力、几何形状、支座反力等多项指标，对典型膜结构的多种施工成形方案进行了模拟。研究了施工过程中结构的内力、位移、反力的变化规律，考察了不同的施工顺序对其施工张拉过程的影响。分析进一步考虑了不同参数包括跨度、高跨比以及索膜预张力密度比对研究结果的影响。最终通过分析和比选给出了最优成形方案，为膜结构施工方案的确定提供了依据。 2100433B

近十年来膜结构迅速向大型化、复杂化发展，膜结构施工成形理论研究的滞后成为制约膜结构进一步的超越发展的关键问题。为此，本项目拟采用数值分析、试验研究等方法对膜结构施工成形问题展开深入的、系统的研究，主要内容包括：(1)提出膜结构施工成形的全过程数值模拟方法，为施工过程的跟踪分析及施工方案的确定、施工误差的分析等研究工作提供基础研究手段；(2)提出膜结构施工成形方案的多目标优化方法，通过优化分析为膜结构施工方案的确定提供理论依据；(3)考虑施工误差的随机性和各误差参数的耦合作用，提出膜结构施工成形的误差分析方法，阐明各种误差源与膜结构成形的敏感度关系，为膜结构施工成形的误差控制提供具体建议，并为编制或修订有关国家标准提供基础资料。本项目兼顾理论性和实用性，以期解决当前膜结构施工成形无据可循的局面,部分研究成果可用于太空膜结构等相关领域。

《软基处理施工过程的数值模拟与应用》可供土建、水利、交通等行业的科研、设计、施工和勘察工作人员阅读，也可供高等院校土建相关专业的师生参考。

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。