索桿張力結構在形態控制過程中必須沿著一條穩定的、無障礙的運動路徑才能到達目標狀態。已有的研究建立在簡單對稱構型、單步控制等假定之上，未考慮運動路徑的可行性（未進行路徑規劃），無法處理更一般的、復雜的形態控制問題。本項目針對索桿張力結構形態控制中的路徑規劃問題展開研究，重點突破索桿張力結構運動路徑規劃的理論模型、求解方法、碰撞偵測三個方面的理論與方法難點，構建索桿張力結構運動路徑規劃的完整理論模型，建立索桿張力結構運動路徑規劃的通用求解策略，發展索桿張力結構運動路徑碰撞判斷與碰撞偵測的實用算法，實現索桿張力結構的形態控制運動路徑規劃的仿真模擬與試驗，揭示典型索桿張力結構的運動路徑規劃特性。本項目的研究將完善與深化索桿張力結構的形態控制理論，促進形態分析技術向精細化、高效化的方向發展；為索桿張力結構在各個交叉學科領域的創新應用提供基礎理論與方法支撐。

索桿張力結構（泛張拉整體結構）在形態控制過程中必須沿著一條穩定的、無障礙的運動路徑才能到達目標狀態。已有的研究建立在簡單對稱構型、單步控制等假定之上，未考慮運動路徑的可行性（未進行路徑規劃），無法處理更一般的、復雜的形態控制問題。本項目針對索桿張力結構形態控制中的路徑規劃問題展開研究，重點突破索桿張力結構形態控制的路徑規劃的數學模型、求解方法、碰撞偵測三個方面的理論與方法難點。提出了索桿張力結構運動路徑規劃的通用理論模型，將位移/內力控制、展開控制、張拉成形控制、步態控制等問題均統一到路徑規劃的框架下；建立了基于雙向快速擴展隨機樹算法的索桿張力結構路徑全局規劃方法，同時適用于幾何空間與作動空間的形態控制過程描述；發展了索桿張力結構運動路徑碰撞判斷與碰撞偵測的實用算法，兼顧了計算效率和精度；實現了多種形態可控索桿張力結構的路徑規劃仿真分析與試驗驗證，揭示了典型索桿張力結構運動路徑規劃場景的特征；研發了多種基于索桿張力結構形態可控性的新型結構體系。本項目的研究完善與深化了索桿張力結構的形態控制理論，解決了索桿張力結構形態控制路徑規劃的理論模型與求解方法問題，為利用索桿張力結構的形態可控性以及發展基于索桿張力結構形態可控性的新型結構體系提供了基本理論與方法，為索桿張力結構在各個交叉學科領域的創新應用提供支撐。 2100433B

大跨度索桿張力結構由于其自身的特點，結構的承載潛力將在服役期間的絕大部分時間里得不到充分發揮，甚至永遠被埋沒。荷載緩和體系是一種在結構中引入某種裝置，當外部作用發生變化時，由緩和裝置自動調整結構的受力性狀，達到自我調節、自我保護的結構體系。將荷載緩和體系的基本思想應用到索桿張力結構中，無疑更能發揮索桿張力結構的優勢。本項目將通過新型緩和裝置的構建，研究荷載緩和體系中桿長剛體和滑輪節點的幾何約束、運動效率和穩定原則；借鑒展開結構的分析方法，建立索桿張力結構中的緩和裝置體系的計算理論；對結構往復調節過程進行數值模擬，分析其運行特性，探討結構在偶然荷載下體系的動力特性及性能，并通過模型試驗進行驗證。本項目的研究將全面建立荷載緩和體系的分析理論，進一步改善索桿張力結構的受力性能，為大跨度索桿張力結構荷載緩和體系的應用提供堅實的理論基礎。 2100433B

近年來暴風雪災害導致的大跨索桿張力結構破壞時有發生，給社會生產和人民生命安全帶來重大損失，因此研究災害雪荷載作用下索桿張力結構的倒塌破壞和控制具有重要的社會意義和科學意義。本項目研究了風雪作用機理和數值模擬方法，對典型形體索桿張力結構考慮風作用的雪荷載不均勻分布進行了模擬，提出了球殼屋蓋、單坡屋蓋風致積雪分布系數計算公式，并引入災害雪荷載系數和融雪再結冰系數對雪荷載模型進行了修正，為準確、安全的災害雪荷載確定提供依據。建立了鋼拉索靜力拉伸模型，考察了拉索抗彎剛度及截面應力分布規律，引入截面應力修正系數對截面平均應力進行修正。對索桿張力結構中常用的兩類索支撐壓桿進行了非線性有限元分析，探討了支撐索不同初始預應力、初始缺陷和支撐桿不同剛度對壓桿及索桿單元穩定性的影響。建立了適用于向量式有限元的精細梁單元彈塑性分析模型，對平截面假定進行了修正。上述不同構件精確的力學分析模型放棄和修正了傳統基本假定，更準確地反應了構件真實受力狀態。研究了基于求解運動路徑的結構屈曲跟蹤方法，建立了斷裂、碰撞等不連續行為的判斷準則和模式，開發了基于向量式有限元的索桿張力結構非線性分析程序，實現了結構倒塌全過程模擬及動態顯示，研究了不同荷載強度、荷載分布及索破斷、支座破壞等初始缺陷下結構力學性能和倒塌破壞模式。采用遺傳算法對索穹頂結構進行單目標和多目標形狀優化設計，通過靈敏度分析研究了結構形狀改變性能的機理，進一步提出了基于非線性力法的索桿結構控制方法，可求解作動器最小需求量及布置方案。對一10米直徑的人字肋環型索穹頂結構模型開展了形狀調控試驗研究，完成了指定節點的位移調控和指定桿件的內力調控。上述研究補充和完善了我國現行建筑荷載規范中的雪荷載條例，同時為索桿張力結構的災害分析、評估及防御提供了強有力的理論基礎和技術支持。 2100433B