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2016大跨空间结构的发展--回顾与展望

04-29 20:55:04  浏览次数:554次  栏目:建筑工程技术

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  在上述理论成果的基础上,采用大规模参数分析的方法,进行了网壳稳定性分所实用方法的研究。即结合不同类型的网壳结构,在其基本参数(几何参数、构造参数、荷载参数等)的常用变化范围内,进行大规模的实际结构全过程分析,对所得结果进行统计分析和归纳,考察网壳稳定性的变化规律,最后通过回归分析提出网壳稳定性验算的实用公式。近几年来,共计对2800余例各种形式的实际尺寸网壳结构进行了全过程分析,得到了相当规律性的结果。所提出的实用公式用起来比较简便,然而是建立在精确分析方法的基础之上的。这一工作很受广大设计部门欢迎。这些公式已列入正在编制的“网壳结构技术规程”(征求意见稿)。应该说,我国关于网壳稳定性的研究是相当深入和细致的。

  (3)相对来说,国内外关于网壳结构在风和地震荷载作用下的反应研究得较少。作者个人认为,对网壳结构来说,风荷载的动力作用可能不是设计中的主要问题,但随着网壳尺度的增大,深入研究其抗地震性能则具有重要意义。在抗震领域,对高层和高耸结构研究得比较透彻;但网壳等大跨结构的动力性能具有不同特点,例如其频率分布比较密集,往往从最低阶算起前面数十个振型都可能对其地震反应有贡献,因而一般的振型分解法是否适用是一个值得探讨的问题,不同方法(包括竖向)的地震作用引起的反应往往是同量级的,因此考虑多维输入可能是一个相当重要的问题;国外已建的和我国今后将要建的一些超大跨度网壳尺度十分巨大,因而在计算中也许有必要考虑地震动力的空间相关性;此外,单层网壳结构在静力作用下的稳定性是设计中的重要因素,它们在地震作用下同样存在动力失稳问题,其严重性如何?对于某些动力反应过大的网壳结构,是否有必要采取适当的振动控制措施?诸如此类问题都是我国学术界正在深入思考或已着手进行研究的问题。

  (4)具有曲面形状的空间结构是最充分地利用形状来抵抗外力作用的结构形式,所以空间结构的形体设计(或从理抡分析角度称作形态分析)具有十分重要的意义。对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等较刚性的体系,其形态分析主要涉及结构几何形状的优化。对索网、膜和索-膜等柔性结构体系,形态分析具有更基本的意义,因为在一定边界条件下,柔性体系仅当存在适当预应力时才具有确定的形状,且其几例形状是随支承条件和预应力分布形态而变化的;因而结构设计的首要内容就是所谓的“找形”(Form-finding),借此来确定形状-预应力-支承条件这一综合系统与使用要求之间的优化组合。“找形”一般采用非线性有限元分析方法,但理论上远未定型。英国Barnes等提出的动力松弛法和德国Linkwitz等提出的力密度法等近似方法也能成功地应用于一些特定类型问题。日本半谷近年来提出形态分析的概念试图使空间结构的形体设计理论进一步系统化,很有意义。这一理论有待继续发展。我国在悬索结构和膜结构的“找形分析”或更确切地说“初始平衡状态分析”方面作过不少工作,并编制了一些相应的软件。今后似应在下列两方面进行更系统的理论研究工作:一方面是在总结现有分析方法的基础上,建立起统一的形态分析理论,与计算机图形学相结合,系统跟踪柔性空间结构的成形——受力全过程并形成相应的软件;另一方面是在形态分析理论的基础上,提出空间结构几何形状的优化准则和分析方法。

  (5)膜结构和索-膜结构等柔性体系自振频率较低,是风敏感性结构,因而研究这类结构在风作用下的反应及其抗风设计方法十分重要。这一课题具有较大理论难度,国内外研究尚少,在许多方面基本上是空白,因而开展这一研究尤具重要意义。

  我们对悬索结构的风振问题做过一定研究,针对这种大跨柔性结构频域宽且频率分布密集的特点,提出了适用的随机风振反应分析方法;并且,针对悬索结构这种非线性体系,提出了广义风振系数的概念,通过大规模参数分析,为椭圆形及菱形平面的常用索网结构提出了简便的实用计算方法。还组织过相应的刚性模型和气弹模型的风洞实验。

  对于不同的结构体系,其风振特性也有差别。采用传统屋面材料的悬索结构整体工作性能相对较好(局部变形较小),结构的整体位移对气流场的改变不大。这类结构在风作用下的振动一般属于限幅随机振动。膜和索-膜结构具有不同特点,膜既是受力构件又是覆面材料,且质轻面薄,结构的局部刚度很小,在风作用下,局部膜单元的加速度和速度反应较大,可能对周围的空气紊流速度产生影响,导致气弹反应和颤振。因此在研究膜结构和索-膜结构的风振问题时,应对可能的动力失稳问题进行深入的理论分析和风洞实验研究。

  作者相信,在做好上面这些理论研究工作以后,将使我国大跨空间结构领域形成较完整的理论体系并进入世界先进行列,为我国大跨度建筑的进一步发展提供充分的理论支持。

  参考文献

  1、蓝天,空间结构的十年——从中国看世界,第六届空间结构学术会议论文集,广州,1992 2、Makowski Z S. Space Structure-A Review of Development in Last Decade ,Space Structure IV,London,1993 3、董石麟,姚谏,网壳结构的未来与展望,空间结构(创刊号),1994 4、沈世钊,中国悬索结构的发展,工业建筑,1994(6)

  5、Shen Shizhao, The development of spatial structures in China (Invited Report), IASS Asia-Pacific Conference on Shell and Spatial Spatial Structures, Beijing, 1996 6、李中立,吴健生,国外膜结构在大跨度结构中的应用与发展趋势,空间结构,1996(3)

  7、蓝天,膜结构的发展及其在中国的应用前景,第八届空间结构学术会议论文集,开封,1997

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