大跨度空間結構

定義:

橫向跨越60米以上空間的各類結構可稱為大跨度空間結構。常用的大跨度空間結構形式包括折板結構、殼體結構、網架結構、懸索結構、充氣結構、篷帳張力結構等。

簡介:

大跨度空間結構是國家建築科學技術發展水平的重要標誌之一。世界各國對空間結構的研究和發展都極為重視,例如國際性的博覽會、奧運會、亞運會等,各國都以新型的空間結構來展示本國的建築科學技術水平,空間結構已經成為衡量一個國家建築技術水平高低的標誌之一。
近年來我國大跨度空間結構發展迅速,特別是北京奧運會的大型體育場館的建設規模和技術水平在世界上都是領先的,將成為我國空間結構發展的里程碑。空間結構以其優美的建築造型和良好的力學性能而廣泛套用於大跨度結構中。

發展:

隨著科技水平的提高,我國空間結構理論分析近年來得到了長足的發展,計算方法由連續化分析到離散化分析,由近似計算到精確分析,由等效靜力分析到直接動力分析,由線性分析到非線性分析。研究方法向理論、試驗與大量計算機分析相結合的方向發展。
1、研究手段的進展
結合具體工程進行了大量的試驗研究,其中包括了懸索、網架、網殼、組合結構和張拉整體等各類空間結構。編制了大量的計算程式對各類空間結構體系進行計算分析,揭示了各種新型結構動力特性與地震反應特點及隨參數變化的規律。給出了各類空間結構的回響規律,試驗結果與計算分析值基本得到相互驗證,新的研究成果使得新結構、新體系層出不窮,極大地豐富了空間結構領域,進一步展示了我國建築科技水平的不斷提高。
2、計算理論的進展
空間結構的計算理論由彈性分析到彈塑性地震回響分析,在多遇地震作用下按彈性階段進行計算的同時,還要防止結構在罕遇地震作用下倒塌並考慮到設計的經濟性對結構彈塑性進行分析。利用圓桿截面空間梁系彈塑性本構關係,結合分割有限元法、Newmark 逐步積分法和Euler 一次Newton 一RaPhaon 疊代法,編制了空間網殼結構彈塑性地震回響時程分析程式,給出了單層球面與單層柱面網殼彈塑性回響規律和斜拉格線結構彈塑性回響規律,推導出了單元彈塑性剛度矩陣,研究了雙層與單層柱面網殼彈塑性反應隨參數變化的情況。對柔性結構全面考慮了幾何非線性的影響,使得計算精度得到極大地提高,計算理論不斷完善。
此外,空間結構與支承體系協同工作性能得到進一步地明確。在
最初進行這類結構分析時,大多數採用離散分析,考慮到計算機容量及計算時間問題,常把支承體系用三向固定鉸支承代替,將空間結構與支承拆開,單獨進行計算P 但由於實際支承體系往往不是三向剛度無限大,周邊簡支模型與實際出人較大,後來進展到採用彈性支承的空間結構計算模型。有關共同工作問題,空間結構學術界不斷進行研究,提出各種鋼格線結構與混凝土支承不同材料組合體系的阻尼簡化公式,給出了修正的彈性支承計算模型。現有的分析軟體也逐漸實現整體分析。
3、結構抗震分析理論的進展
大跨度空間結構抗震分析從單維地震反應分析發展到多維地震反應分析。由於地震時地面運動是多維的,同時各方向地震動引起的地震回響一般為同數量級的,因此為更真實地掌握結構地震反應,進行多維地震反應分析剝良必要的。地震動有六維分量,由於結構設計形式儘量保證了均勻對稱,同時計算轉動分量將帶來過大的計算土作量,自前研究的震動以三個平動分量輸人為主,為考慮三維地震輸人,空間網殼結構曾用時程法進行確定分析;近年來,北京工業大學引用了林家浩等提出的單維虛擬激勵法推導出格線結構多維地震輸人的虛擬激勵隨機分析方法,編制了相應程式,並提出了隨機參數取法,用此程式對單層、雙層柱面網殼、球面網殼進行了系統的多維地震反應分析,得出了一些有益的結論。
4、空間結構隔震、控震分析
結構震動控制包括基礎隔震、被動控制、主動和半主動控制及近年來提出的智慧型控制。有關土建結構振動控制研究與套用約有30 年的歷史。我國空間結構中採用橡膠支座隔震已相當普及,但在空間結構振動控制方面尚處於起步研究階段,現已取得了二些可喜的科研成果。在基礎隔震方面,同濟大學、浙江大學等單位給出了各種支座的隔震性能、設計計算方法,浙江大學提出了適合於格線結構的粘彈性阻尼材料代替橡膠支座,北京交通大學研製出萬向支承方向轉動抗震減震支座,獲得了專利。在網殼結構控制方面,哈爾濱工業大學提出了多個TMD 調頻質量阻尼器的MTMD 系統,建立了隨機振動計算模型,採用傳遞函式算法和非線性數學規劃方法確定其最優控制參 數,並針對各類單層網殼進行了振動控制分析;設計了粘滯阻尼器,安裝在網殼上進行地震模擬震動台試驗,得出了相關結論。北京工業大學對網殼結構進行了半主動控制研究,提出將半主動控制器做成變剛度變阻尼桿件以替代網殼桿件的方法,並給出了控制桿件的最優布置準則。蘭州理工大學提出採用約束屈曲支撐(B RB )代替部分網殼結構桿件的做法,利用通用有限元軟體ANSYs 對這種新型結構體系的各種形式進行分析,尋找約束屈曲支撐在整體結構中的最優布置和影響規律,在參數分析的基礎上,探索網殼結構減震體系的減震機理與變化規律,分析結構減震控制的關鍵因素。

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