目錄

前言

第1章 索支撐空間網格玻璃采光頂結構 1

參考文獻 6

第2章 索支撐空間網格結構表面平移法 9

2.1 表面平移法基本原理 10

2.2 滑動平移法 12

2.3 縮放平移法 12

2.4 工程案例 14

參考文獻 17

第3章 基于表面平移法的自由曲面索支撐空間網格結構形態優化 18

3.1 自由曲面索支撐空間網格結構形態優化方法 18

3.1.1 優化算法 18

3.1.2 目標函數 23

3.1.3 優化變量和狀態變量 27

3.1.4 以應變能為目標函數的共軛梯度法的實現 27

3.1.5 基于表面平移法的形態優化 29

3.1.6 優化方法驗證 33

3.2 基于表面平移法的自由曲面索支撐空間網格結構形態優化 37

3.2.1 滑動平移法自由曲面索支撐空間網格結構算例分析 37

3.2.2 縮放平移法自由曲面索支撐空間網格結構算例分析 40

3.3 B樣條曲線自由曲面索支撐空間網格結構形態優化 43

3.3.1 光順的定義 44

3.3.2 B樣條曲線 45

3.3.3 B樣條曲線自由曲面索支撐空間網格結構優化方法 47

3.3.4 算例分析 49

3.3.5 自由曲面索支撐空間網格結構光順評價 51

3.4 索支撐空間網格結構優化過程及優化目標比較 53

3.4.1 自由曲面索支撐空間網格結構優化過程力學性能分析 53

3.4.2 自由曲面索支撐空間網格結構單目標形態優化 58

3.5 自由曲面索支撐空間網格結構的多目標形態優化 64

3.5.1 目標函數分類與組合 64

3.5.2 多目標形態優化理論 65

3.5.3 算例分析 68

參考文獻 73

第4章 索支撐空間網格結構裝配式節點 76

4.1 裝配式節點介紹 76

4.2 索支撐空間網格結構裝配式節點設計及構造 78

4.2.1 節點設計依據 78

4.2.2 索支撐空間網格結構裝配式節點構造 81

4.3 裝配式節點足尺靜力試驗 83

4.3.1 試驗方案 83

4.3.2 節點破壞模式 89

4.4 SSB節點試驗結果及數值模擬 93

4.4.1 節點數值模型簡化 93

4.4.2 SSB節點試驗結果及數值模擬 95

4.4.3 節點參數影響 141

4.5 SSB節點靜力性能 145

4.5.1 節點平面外剛度 145

4.5.2 節點平面內剛度 157

4.5.3 墊片對節點性能的影響 168

4.5.4 SSB節點構造要求 172

參考文獻 175

第5章 裝配式索支撐空間網格結構靜力穩定性能 176

5.1 裝配式索支撐空間網格結構整體模型 176

5.1.1 裝配式節點有限元模型 176

5.1.2 裝配式節點彈簧剛度 177

5.1.3 裝配式節點有限元模型驗證 181

5.2 SSB節點索支撐空間網格結構靜力性能研究 187

5.2.1 結構形式及構件尺寸 187

5.2.2 設計荷載作用下的靜力分析 189

5.2.3 穩定分析 196

5.3 墊片對裝配式索支撐空間網格結構靜力穩定性的影響 207

5.3.1 模型參數 207

5.3.2 墊片對索支撐空間網格結構靜力穩定性的影響 208

5.4 索支撐空間網格結構整體穩定性能對裝配式節點力學性能要求 216

5.4.1 模型參數 216

5.4.2 節點轉動剛度 216

5.4.3 節點面外極限彎矩 225

5.4.4 節點塑性極限位移 230

5.4.5 裝配式索支撐空間網格結構穩定承載力估算 232

參考文獻 234

第6章 解析曲面索支撐空間網格結構穩定承載力公式 235

6.1 具有初始缺陷橢圓拋物面索支撐空間網格結構靜力穩定性能 235

6.1.1 具有初始缺陷橢圓拋物面索支撐空間網格結構穩定基本方程 235

6.1.2 具有初始缺陷橢圓拋物面索支撐空間網格結構穩定基本方程求解 242

6.1.3 索支撐網格等代剛度 247

6.1.4 算例驗證 249

6.1.5 誤差分析 250

6.2 具有初始缺陷聯方柱面索支撐空間網格結構靜力穩定性能 253

6.2.1 具有初始缺陷聯方柱面索支撐空間網格結構穩定基本方程 253

6.2.2 具有初始缺陷聯方柱面索支撐空間網格結構穩定基本方程求解 256

6.2.3 聯方索支撐網格等代剛度 261

6.2.4 算例驗證 264

6.2.5 誤差分析 265

參考文獻 269

彩圖 2100433B

索支撐空間網格結構是一種適合于玻璃采光頂結構的新型單層網殼結構形式，其網格單元為平面四邊形，通透性高且玻璃加工方便。本書針對索支撐空間網格結構的形態優化、裝配式節點力學性能及結構整體穩定三個關鍵問題進行研究，提出了基于準線和母線的多目標形態優化方法，通過試驗和有限元數值模擬研究了裝配式節點的力學性能，揭示了裝配式索支撐空間網格結構的失穩機理，滿足不同結構整體穩定性能要求的裝配式節點力學性能要求，推導了具有初始缺陷的解析曲面索支撐空間網格結構穩定承載力計算公式。

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

預應力索桿結構構型新穎、高效，借助體內自平衡預應力形成或改善結構剛度，具有很強的生命力和良好的工程應用前景。針對新型預應力索桿體系設計中的剛度不確定性問題及結構構型與結構性能相互耦合的問題，本項目引入了群集理論方法，開展了預應力索桿體系剛度解析及形態優化研究。主要包括：（1）研究了索桿體系靜動不定性及其演變機理，定性分析了節點偏差、構件拓撲、外荷載等多種因素影響下機構位移模態和自應力模態的對稱表示及其變化機制，并完善了索桿結構預應力穩定性的判定方法；（2）分別從對稱子空間、節點與構件層次對索桿體系的彈性剛度、幾何剛度、結構整體剛度進行解析，給出了評判對稱索桿結構穩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，開發了群論工具箱，根據對稱操作的等效變換以及相應矩陣的不可約表示，提出了基于群論的結構對稱性自動識別方法，有效拓展群論方法在工程領域的應用范圍；（4）利用全對稱子空間的物理意義，提出了高效求解結構整體自應力模態的方法；在此定性分析基礎上，分別以預應力和拓撲關系為自變量，并充分考慮了結構對稱性、結構剛度及初始預應力分布特點，采用兩種獨立的約束優化模型，提出了基于蟻群算法的預應力索桿體系形態優化方法。本項目培養研究生4名，已發表SCI論文14篇（其中JCR Q1論文7篇、ASCE論文3篇）；圍繞索桿結構找形、結構對稱性識別等方面解決了數個關鍵技術問題，申請了發明專利10項，已授權6項。項目研究成果一方面豐富和發展了索桿體系研究的理論與方法；另一方面為開發大型預應力索桿體系提供新的技術手段與參考。 2100433B

預應力索桿結構構型新穎、高效，借助體內自平衡預應力形成或改善結構剛度，具有很強的生命力和良好的工程應用前景。針對新型預應力索桿體系設計中的剛度不確定性問題及結構構型與結構性能相互耦合的問題，本項目引入群論方法，開展預應力索桿體系剛度解析及形態優化研究。主要內容包括：（1）研究索桿體系靜動不定性及其機理，定性分析機構位移和自應力模態的對稱表示，并完善索桿結構預應力穩定性的判定方法；（2）對索桿體系的彈性剛度、幾何剛度、結構剛度進行解析，給出評判對稱索桿結構穩定性的充分和必要條件；（3）根據等效變換的不可約表示，提出基于群論的結構對稱性自動識別方法；（4）分別以預應力和拓撲關系為自變量，并考慮結構性能、經濟性和對稱性，采用兩種獨立的約束優化模型，提出基于蟻群算法的預應力索桿體系形態優化方法。本項目一方面豐富和發展索桿體系研究的理論與方法；另一方面為開發大型預應力索桿體系提供新的技術手段與參考。