灾害雪荷载作用下索杆张力结构的倒塌破坏分析与控制

近年来暴风雪灾害导致的大跨索杆张力结构破坏时有发生，给社会生产和人民生命安全带来重大损失，因此研究灾害雪荷载作用下索杆张力结构的倒塌破坏和控制具有重要的社会意义和科学意义。本项目研究了风雪作用机理和数值模拟方法，对典型形体索杆张力结构考虑风作用的雪荷载不均匀分布进行了模拟，提出了球壳屋盖、单坡屋盖风致积雪分布系数计算公式，并引入灾害雪荷载系数和融雪再结冰系数对雪荷载模型进行了修正，为准确、安全的灾害雪荷载确定提供依据。建立了钢拉索静力拉伸模型，考察了拉索抗弯刚度及截面应力分布规律，引入截面应力修正系数对截面平均应力进行修正。对索杆张力结构中常用的两类索支撑压杆进行了非线性有限元分析，探讨了支撑索不同初始预应力、初始缺陷和支撑杆不同刚度对压杆及索杆单元稳定性的影响。建立了适用于向量式有限元的精细梁单元弹塑性分析模型，对平截面假定进行了修正。上述不同构件精确的力学分析模型放弃和修正了传统基本假定，更准确地反应了构件真实受力状态。研究了基于求解运动路径的结构屈曲跟踪方法，建立了断裂、碰撞等不连续行为的判断准则和模式，开发了基于向量式有限元的索杆张力结构非线性分析程序，实现了结构倒塌全过程模拟及动态显示，研究了不同荷载强度、荷载分布及索破断、支座破坏等初始缺陷下结构力学性能和倒塌破坏模式。采用遗传算法对索穹顶结构进行单目标和多目标形状优化设计，通过灵敏度分析研究了结构形状改变性能的机理，进一步提出了基于非线性力法的索杆结构控制方法，可求解作动器最小需求量及布置方案。对一10米直径的人字肋环型索穹顶结构模型开展了形状调控试验研究，完成了指定节点的位移调控和指定杆件的内力调控。上述研究补充和完善了我国现行建筑荷载规范中的雪荷载条例，同时为索杆张力结构的灾害分析、评估及防御提供了强有力的理论基础和技术支持。 2100433B

向量式有限元是一种采用点值描述来研究结构运动过程的新方法，能有效求解大变形、大变位、碰撞、倒塌等力学行为。本项目以向量式有限元方法为基本工具，通过理论分析、试验研究、程序开发等手段，建立复杂形体结构灾害雪荷载模型和不同受力构件精确力学分析模型，实现索杆张力结构在灾害雪荷载作用下的倒塌全过程模拟，研究其倒塌模式、破坏机理及共性规律；探索设计优化或合理补强的方法控制其在极端情况下的破坏发生在合理模式；研究形状改变影响结构抗倒塌破坏性能的机理，并探索通过布置作动器或长度可调装置改变结构形状，进而改善结构在灾害荷载作用下的极限承载力及抗倒塌破坏性能，为发展索杆张力结构灾害分析方法及防御方法做出贡献。

研究索杆张力体系空间结构的成形过程和破坏机理，解决包含刚体运动的结构可动性形态分析的统一算法。探险明结构在各个阶段的形状和受力特性及断索、构件屈曲情形下破坏模态。并运用计算机仿真技术真实模拟结构的成形过程、受力和破坏状态。从而寻求合理的结构形式、预应力控制策略及结构极限承载力。为索杆张力结构的理论和工程应用解决技术难题。 2100433B

索杆张力结构（泛张拉整体结构）在形态控制过程中必须沿着一条稳定的、无障碍的运动路径才能到达目标状态。已有的研究建立在简单对称构型、单步控制等假定之上，未考虑运动路径的可行性（未进行路径规划），无法处理更一般的、复杂的形态控制问题。本项目针对索杆张力结构形态控制中的路径规划问题展开研究，重点突破索杆张力结构形态控制的路径规划的数学模型、求解方法、碰撞侦测三个方面的理论与方法难点。提出了索杆张力结构运动路径规划的通用理论模型，将位移/内力控制、展开控制、张拉成形控制、步态控制等问题均统一到路径规划的框架下；建立了基于双向快速扩展随机树算法的索杆张力结构路径全局规划方法，同时适用于几何空间与作动空间的形态控制过程描述；发展了索杆张力结构运动路径碰撞判断与碰撞侦测的实用算法，兼顾了计算效率和精度；实现了多种形态可控索杆张力结构的路径规划仿真分析与试验验证，揭示了典型索杆张力结构运动路径规划场景的特征；研发了多种基于索杆张力结构形态可控性的新型结构体系。本项目的研究完善与深化了索杆张力结构的形态控制理论，解决了索杆张力结构形态控制路径规划的理论模型与求解方法问题，为利用索杆张力结构的形态可控性以及发展基于索杆张力结构形态可控性的新型结构体系提供了基本理论与方法，为索杆张力结构在各个交叉学科领域的创新应用提供支撑。 2100433B

索杆张力结构在形态控制过程中必须沿着一条稳定的、无障碍的运动路径才能到达目标状态。已有的研究建立在简单对称构型、单步控制等假定之上，未考虑运动路径的可行性（未进行路径规划），无法处理更一般的、复杂的形态控制问题。本项目针对索杆张力结构形态控制中的路径规划问题展开研究，重点突破索杆张力结构运动路径规划的理论模型、求解方法、碰撞侦测三个方面的理论与方法难点，构建索杆张力结构运动路径规划的完整理论模型，建立索杆张力结构运动路径规划的通用求解策略，发展索杆张力结构运动路径碰撞判断与碰撞侦测的实用算法，实现索杆张力结构的形态控制运动路径规划的仿真模拟与试验，揭示典型索杆张力结构的运动路径规划特性。本项目的研究将完善与深化索杆张力结构的形态控制理论，促进形态分析技术向精细化、高效化的方向发展；为索杆张力结构在各个交叉学科领域的创新应用提供基础理论与方法支撑。