目錄

前言

第1章 索支撐空間網(wǎng)格玻璃采光頂結(jié)構(gòu) 1

參考文獻 6

第2章 索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化 18

3.1 自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化方法 18

3.1.1 優(yōu)化算法 18

3.1.2 目標(biāo)函數(shù) 23

3.1.3 優(yōu)化變量和狀態(tài)變量 27

3.1.4 以應(yīng)變能為目標(biāo)函數(shù)的共軛梯度法的實現(xiàn) 27

3.1.5 基于表面平移法的形態(tài)優(yōu)化 29

3.1.6 優(yōu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化 37

3.2.1 滑動平移法自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)算例分析 37

3.2.2 縮放平移法自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)算例分析 40

3.3 B樣條曲線自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)優(yōu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)光順評價 51

3.4 索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程及優(yōu)化目標(biāo)比較 53

3.4.1 自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程力學(xué)性能分析 53

3.4.2 自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)單目標(biāo)形態(tài)優(yōu)化 58

3.5 自由曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)形態(tài)優(yōu)化 64

3.5.1 目標(biāo)函數(shù)分類與組合 64

3.5.2 多目標(biāo)形態(tài)優(yōu)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點 76

4.1 裝配式節(jié)點介紹 76

4.2 索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點設(shè)計及構(gòu)造 78

4.2.1 節(jié)點設(shè)計依據(jù) 78

4.2.2 索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)裝配式節(jié)點構(gòu)造 81

4.3 裝配式節(jié)點足尺靜力試驗 83

4.3.1 試驗方案 83

4.3.2 節(jié)點破壞模式 89

4.4 SSB節(jié)點試驗結(jié)果及數(shù)值模擬 93

4.4.1 節(jié)點數(shù)值模型簡化 93

4.4.2 SSB節(jié)點試驗結(jié)果及數(shù)值模擬 95

4.4.3 節(jié)點參數(shù)影響 141

4.5 SSB節(jié)點靜力性能 145

4.5.1 節(jié)點平面外剛度 145

4.5.2 節(jié)點平面內(nèi)剛度 157

4.5.3 墊片對節(jié)點性能的影響 168

4.5.4 SSB節(jié)點構(gòu)造要求 172

參考文獻 175

第5章 裝配式索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性能 176

5.1 裝配式索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體模型 176

5.1.1 裝配式節(jié)點有限元模型 176

5.1.2 裝配式節(jié)點彈簧剛度 177

5.1.3 裝配式節(jié)點有限元模型驗證 181

5.2 SSB節(jié)點索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力性能研究 187

5.2.1 結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件尺寸 187

5.2.2 設(shè)計荷載作用下的靜力分析 189

5.2.3 穩(wěn)定分析 196

5.3 墊片對裝配式索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性的影響 207

5.3.1 模型參數(shù) 207

5.3.2 墊片對索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性的影響 208

5.4 索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能對裝配式節(jié)點力學(xué)性能要求 216

5.4.1 模型參數(shù) 216

5.4.2 節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度 216

5.4.3 節(jié)點面外極限彎矩 225

5.4.4 節(jié)點塑性極限位移 230

5.4.5 裝配式索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性能 235

6.1.1 具有初始缺陷橢圓拋物面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定基本方程求解 242

6.1.3 索支撐網(wǎng)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(lián)方柱面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性能 253

6.2.1 具有初始缺陷聯(lián)方柱面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定基本方程 253

6.2.2 具有初始缺陷聯(lián)方柱面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定基本方程求解 256

6.2.3 聯(lián)方索支撐網(wǎng)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種適合于玻璃采光頂結(jié)構(gòu)的新型單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)形式，其網(wǎng)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)的形態(tài)優(yōu)化、裝配式節(jié)點力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定三個關(guān)鍵問題進行研究，提出了基于準(zhǔn)線和母線的多目標(biāo)形態(tài)優(yōu)化方法，通過試驗和有限元數(shù)值模擬研究了裝配式節(jié)點的力學(xué)性能，揭示了裝配式索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)機理，滿足不同結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能要求的裝配式節(jié)點力學(xué)性能要求，推導(dǎo)了具有初始缺陷的解析曲面索支撐空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力計算公式。

大跨度索桿張力結(jié)構(gòu)由于其自身的特點，結(jié)構(gòu)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(fā)揮，甚至永遠被埋沒。荷載緩和體系是一種在結(jié)構(gòu)中引入某種裝置，當(dāng)外部作用發(fā)生變化時，由緩和裝置自動調(diào)整結(jié)構(gòu)的受力性狀，達到自我調(diào)節(jié)、自我保護的結(jié)構(gòu)體系。將荷載緩和體系的基本思想應(yīng)用到索桿張力結(jié)構(gòu)中，無疑更能發(fā)揮索桿張力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。本項目將通過新型緩和裝置的構(gòu)建，研究荷載緩和體系中桿長剛體和滑輪節(jié)點的幾何約束、運動效率和穩(wěn)定原則；借鑒展開結(jié)構(gòu)的分析方法，建立索桿張力結(jié)構(gòu)中的緩和裝置體系的計算理論；對結(jié)構(gòu)往復(fù)調(diào)節(jié)過程進行數(shù)值模擬，分析其運行特性，探討結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力性能，為大跨度索桿張力結(jié)構(gòu)荷載緩和體系的應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)。 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理，定性分析了節(jié)點偏差、構(gòu)件拓撲、外荷載等多種因素影響下機構(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)力和拓撲關(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理，定性分析機構(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)力和拓撲關(guān)系為自變量，并考慮結(jié)構(gòu)性能、經(jīng)濟性和對稱性，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。