在曲面空間結(jié)構(gòu)中，以單一的幾何形狀來實現(xiàn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)合理性是相當(dāng)困難的，為了滿足自由曲面結(jié)構(gòu)受力的合理性，本項目基于剪式單元提出了具有多個穩(wěn)定狀態(tài)以及不同幾何外形的索桿式可變結(jié)構(gòu)。依據(jù)有限轉(zhuǎn)動理論，在傳統(tǒng)有限元方法中引入多組坐標(biāo)系，分解物體的大位移和大變形效應(yīng)，實現(xiàn)整體轉(zhuǎn)動和相對轉(zhuǎn)動的相互轉(zhuǎn)換，并借鑒多體系統(tǒng)動力學(xué)建立約束的方法編制程序進(jìn)行索桿式多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析。考慮索的單邊約束條件，對體系運動路徑和運動過程中出現(xiàn)的分歧點進(jìn)行研究，并對體系位于分歧點可能出現(xiàn)的出分歧點路徑進(jìn)行分析。運用區(qū)間分析非概率模型進(jìn)行多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)運動可靠度的研究。在試驗研究的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地分析多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)可能存在的初始缺陷，討論缺陷對多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)運動過程、靜動力性能以及穩(wěn)定承載能力的影響；并提出基于全局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)最優(yōu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計方法與施工方法。本項目的完成將對我國智能屋蓋結(jié)構(gòu)、新型空間結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)起重要作用。

在曲面空間結(jié)構(gòu)中，以單一的幾何形狀來實現(xiàn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)合理性是相當(dāng)困難的，為了滿足自由曲面結(jié)構(gòu)受力的合理性，本項目提出了具有多個穩(wěn)定狀態(tài)以及不同幾何外形的索桿式可變結(jié)構(gòu)。采用理論分析、數(shù)值模擬、物理模型實驗相結(jié)合的研究手段，對多種多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)成、運動過程以及受力性能進(jìn)行了深入的研究。引入群集理論方法，基于對稱群不可約表示及舒爾正交定理，建立了判定動不定體系平衡態(tài)穩(wěn)定性的方法，并根據(jù)分塊矩陣關(guān)聯(lián)的物理意義，得到了索桿體系穩(wěn)定的必要條件，并建立了結(jié)構(gòu)可動性統(tǒng)一判別準(zhǔn)則。研究了節(jié)點坐標(biāo)、幾何拓?fù)洹⑼夂奢d、邊界約束等因素對結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，系統(tǒng)分析了多種因素作用下結(jié)構(gòu)靜動特性、穩(wěn)定性等的變化，討論了機(jī)構(gòu)位移模態(tài)、自應(yīng)力模態(tài)在不同因素影響下的演變規(guī)律。根據(jù)整體平衡矩陣第一分塊子矩陣關(guān)聯(lián)的物理意義，建立了有效求解結(jié)構(gòu)整體自應(yīng)力模態(tài)的對稱法。從能量的角度出發(fā)，建立了基于梯度優(yōu)化的索桿體系找形方法。利用Lagrange乘子法將約束條件添加到目標(biāo)函數(shù)中，并應(yīng)用梯度法進(jìn)行優(yōu)化，從而得到考慮約束條件索桿張力結(jié)構(gòu)的形狀。分別基于CP和DP索桿單元，提出了新型索桿式折疊網(wǎng)格體系，給出了關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計方案，利用模型試驗驗證了理論分析的正確性。建立了雙穩(wěn)態(tài)桿件主要受力元件的受力模型。分別利用Mises桁架模型、曲梁（淺拱）模型來模擬雙穩(wěn)態(tài)桿件的受力元件，淺拱模型中考慮了屈曲前非線性對淺拱失穩(wěn)的影響。將常規(guī)剪式單元的銷接節(jié)點改為鉸接節(jié)點，將增加其組成體系的自由度，從而可以使體系運動至多個幾何狀態(tài)，然后通過施加外部約束，使這些構(gòu)形成為可以承受外荷載的穩(wěn)定狀態(tài)。利用拉索長度的變化規(guī)律，得到了多穩(wěn)態(tài)滾動節(jié)點運動過程中的受力性能，并討論了不對稱構(gòu)形以及倒角對節(jié)點受力性能的影響。本項目的完成將對我國智能屋蓋結(jié)構(gòu)、新型空間結(jié)構(gòu)體系的開發(fā)起重要作用。 2100433B

預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)構(gòu)型新穎、高效，借助體內(nèi)自平衡預(yù)應(yīng)力形成或改善結(jié)構(gòu)剛度，具有很強(qiáng)的生命力和良好的工程應(yīng)用前景。針對新型預(yù)應(yīng)力索桿體系設(shè)計中的剛度不確定性問題及結(jié)構(gòu)構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能相互耦合的問題，本項目引入了群集理論方法，開展了預(yù)應(yīng)力索桿體系剛度解析及形態(tài)優(yōu)化研究。主要包括：（1）研究了索桿體系靜動不定性及其演變機(jī)理，定性分析了節(jié)點偏差、構(gòu)件拓?fù)洹⑼夂奢d等多種因素影響下機(jī)構(gòu)位移模態(tài)和自應(yīng)力模態(tài)的對稱表示及其變化機(jī)制，并完善了索桿結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定性的判定方法；（2）分別從對稱子空間、節(jié)點與構(gòu)件層次對索桿體系的彈性剛度、幾何剛度、結(jié)構(gòu)整體剛度進(jìn)行解析，給出了評判對稱索桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的充分和必要條件；（3）歸納了百余種對稱群及五類對稱操作，開發(fā)了群論工具箱，根據(jù)對稱操作的等效變換以及相應(yīng)矩陣的不可約表示，提出了基于群論的結(jié)構(gòu)對稱性自動識別方法，有效拓展群論方法在工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍；（4）利用全對稱子空間的物理意義，提出了高效求解結(jié)構(gòu)整體自應(yīng)力模態(tài)的方法；在此定性分析基礎(chǔ)上，分別以預(yù)應(yīng)力和拓?fù)潢P(guān)系為自變量，并充分考慮了結(jié)構(gòu)對稱性、結(jié)構(gòu)剛度及初始預(yù)應(yīng)力分布特點，采用兩種獨立的約束優(yōu)化模型，提出了基于蟻群算法的預(yù)應(yīng)力索桿體系形態(tài)優(yōu)化方法。本項目培養(yǎng)研究生4名，已發(fā)表SCI論文14篇（其中JCR Q1論文7篇、ASCE論文3篇）；圍繞索桿結(jié)構(gòu)找形、結(jié)構(gòu)對稱性識別等方面解決了數(shù)個關(guān)鍵技術(shù)問題，申請了發(fā)明專利10項，已授權(quán)6項。項目研究成果一方面豐富和發(fā)展了索桿體系研究的理論與方法；另一方面為開發(fā)大型預(yù)應(yīng)力索桿體系提供新的技術(shù)手段與參考。 2100433B

預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)構(gòu)型新穎、高效，借助體內(nèi)自平衡預(yù)應(yīng)力形成或改善結(jié)構(gòu)剛度，具有很強(qiáng)的生命力和良好的工程應(yīng)用前景。針對新型預(yù)應(yīng)力索桿體系設(shè)計中的剛度不確定性問題及結(jié)構(gòu)構(gòu)型與結(jié)構(gòu)性能相互耦合的問題，本項目引入群論方法，開展預(yù)應(yīng)力索桿體系剛度解析及形態(tài)優(yōu)化研究。主要內(nèi)容包括：（1）研究索桿體系靜動不定性及其機(jī)理，定性分析機(jī)構(gòu)位移和自應(yīng)力模態(tài)的對稱表示，并完善索桿結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力穩(wěn)定性的判定方法；（2）對索桿體系的彈性剛度、幾何剛度、結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行解析，給出評判對稱索桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的充分和必要條件；（3）根據(jù)等效變換的不可約表示，提出基于群論的結(jié)構(gòu)對稱性自動識別方法；（4）分別以預(yù)應(yīng)力和拓?fù)潢P(guān)系為自變量，并考慮結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟(jì)性和對稱性，采用兩種獨立的約束優(yōu)化模型，提出基于蟻群算法的預(yù)應(yīng)力索桿體系形態(tài)優(yōu)化方法。本項目一方面豐富和發(fā)展索桿體系研究的理論與方法；另一方面為開發(fā)大型預(yù)應(yīng)力索桿體系提供新的技術(shù)手段與參考。

為了實現(xiàn)大跨度空間結(jié)構(gòu)的多功能性，本項目基于體系約束條件Jacobian矩陣的符號運算分析開合屋蓋的自由度，提出一種索支撐徑向開合屋蓋結(jié)構(gòu)。利用向量式有限元，在研究多折角梁、拉索及剪鉸節(jié)點內(nèi)力計算方法的基礎(chǔ)上，建立一種同時考慮剛體位移和彈性變形的開合屋蓋結(jié)構(gòu)運動過程分析方法，并提出一種剪式鉸中銷軸和孔體間相互接觸和碰撞的判斷方法及其響應(yīng)計算方法，從而研究剪式鉸間隙對整個徑向開合屋蓋運動過程的影響。建立考慮摩擦的滑移索單元嵌入到有限元程序中；提出一種空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的對稱性搜索和判斷方法；應(yīng)用群論將剛度矩陣約化為一系列不可約矩陣的組合，將結(jié)構(gòu)計算時結(jié)構(gòu)整體剛度矩陣的求逆過程轉(zhuǎn)化為多個不可約矩陣的求逆，提高計算效率。對各種荷載作用下徑向開合屋蓋結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行詳細(xì)的分析；在模型試驗的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的設(shè)計、施工建議。本項目的完成將對我國多功能建筑、新型空間結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展起到重要作用。