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2020年 第35卷 第7期
2020, 35(7): 1-16.
doi: 10.13206/j.gjgSE20041904
摘要
PDF (54314KB)
摘要:
近年来，随着中国经济的快速发展，为满足各种文化、体育、交通及社会活动的需要，建造大跨空间结构的需求日益增多，空间结构的工程实践取得重要进展，各种形式的空间结构体系被成功应用于体育场馆、会展中心、文化娱乐场所、机场航站楼、植物园温室、厂房及库房等。为展现我国空间结构的最新成就，推动空间结构的进一步发展，从四个方面对空间结构的近期发展与工程实践进行总结和回顾，内容涉及了空间结构的实际工程应用、发展回顾、应用案例汇总、结构设计考虑、工程结构体系介绍以及空间结构的创新等。
1）空间网格结构在机场航站楼的应用。
近年来，我国建造了若干座机场，空间网格结构是机场航站楼的主要结构形式。对近十年我国机场航站楼工程进行了汇总，对新建的北京大兴国际机场的结构体系和相关技术进行了详细介绍。由于机场航站楼屋面覆盖面积大，其温度效应和地震响应是结构设计中需要考虑的重要因素。以深圳宝安机场T3航站楼为例，介绍了其设计做法。
2）铝合金空间结构的发展。
与空间钢结构相比，铝合金空间结构具有很多独特的优势。对近年来我国铝合金空间结构的应用工程进行了汇总，详细介绍了上海辰山植物园温室和南京牛首山佛顶宫铝合金空间网格结构的结构体系和设计细节。结果表明，采用板式铆接节点的铝合金单层空间网格结构是一种性能优良的体系，具有空间跨越能力强，自由曲面建筑造型美等特点。
3）索结构体系创新。
索结构是空间结构的一种重要形式。近年来，随着各种大型体育赛事的承办，索结构体系主要应用于各类体育场馆中。并按四种类型介绍索结构体系的创新与发展：
a.索穹顶结构。回顾了索穹顶结构在中国的发展，详细介绍了天津理工大学体育馆索穹顶结构体系，介绍了雅安天全体育馆采用金属屋面的做法。然而，与国际发展水平相比，我国在索穹顶体系应用上仍存在差距。
b.弦支穹顶结构。介绍了弦支穹顶结构在济南奥体中心体育馆、常州奥体中心体育馆、北京工业大学体育馆及大连体育中心体育馆中的工程应用，对大连体育中心体育馆采用的新型巨型网格弦支穹顶结构体系进行了说明。
c.轮辐式索结构。介绍了轮辐式索结构在中国的工程实践，主要包括佛山世纪莲体育场、枣庄体育场和武汉五环体育中心体育场。作为典型工程，介绍了三种不同类型轮辐式索结构体系，分别为深圳宝安体育场采用的双层索桁架体系、苏州奥体中心体育场采用的单层索网体系、徐州奥体中心体育场和郑州奥体中心体育场采用的大开口索承网格结构体系。
d.索网结构。分别介绍了为2022年冬奥会建设的国家速滑馆索网结构和国家重大科学工程500 m口径球面射电望远镜（FAST）主动反射面采用的索网结构。
4）膜结构工程实践。
膜结构具有轻质、透光等独有特性，近年来广泛应用于各类建筑结构中。回顾了膜结构在中国的发展，介绍了膜结构在体育场屋面体系中的应用，以及ETFE膜结构的应用情况。随着中国城镇化建设发展和国家全民建设运动以及环境保护政策的需求，为充气膜结构应用提供了发展空间，并在近年得到了快速发展。
近年来，随着中国经济的快速发展，为满足各种文化、体育、交通及社会活动的需要，建造大跨空间结构的需求日益增多，空间结构的工程实践取得重要进展，各种形式的空间结构体系被成功应用于体育场馆、会展中心、文化娱乐场所、机场航站楼、植物园温室、厂房及库房等。为展现我国空间结构的最新成就，推动空间结构的进一步发展，从四个方面对空间结构的近期发展与工程实践进行总结和回顾，内容涉及了空间结构的实际工程应用、发展回顾、应用案例汇总、结构设计考虑、工程结构体系介绍以及空间结构的创新等。
1）空间网格结构在机场航站楼的应用。
近年来，我国建造了若干座机场，空间网格结构是机场航站楼的主要结构形式。对近十年我国机场航站楼工程进行了汇总，对新建的北京大兴国际机场的结构体系和相关技术进行了详细介绍。由于机场航站楼屋面覆盖面积大，其温度效应和地震响应是结构设计中需要考虑的重要因素。以深圳宝安机场T3航站楼为例，介绍了其设计做法。
2）铝合金空间结构的发展。
与空间钢结构相比，铝合金空间结构具有很多独特的优势。对近年来我国铝合金空间结构的应用工程进行了汇总，详细介绍了上海辰山植物园温室和南京牛首山佛顶宫铝合金空间网格结构的结构体系和设计细节。结果表明，采用板式铆接节点的铝合金单层空间网格结构是一种性能优良的体系，具有空间跨越能力强，自由曲面建筑造型美等特点。
3）索结构体系创新。
索结构是空间结构的一种重要形式。近年来，随着各种大型体育赛事的承办，索结构体系主要应用于各类体育场馆中。并按四种类型介绍索结构体系的创新与发展：
a.索穹顶结构。回顾了索穹顶结构在中国的发展，详细介绍了天津理工大学体育馆索穹顶结构体系，介绍了雅安天全体育馆采用金属屋面的做法。然而，与国际发展水平相比，我国在索穹顶体系应用上仍存在差距。
b.弦支穹顶结构。介绍了弦支穹顶结构在济南奥体中心体育馆、常州奥体中心体育馆、北京工业大学体育馆及大连体育中心体育馆中的工程应用，对大连体育中心体育馆采用的新型巨型网格弦支穹顶结构体系进行了说明。
c.轮辐式索结构。介绍了轮辐式索结构在中国的工程实践，主要包括佛山世纪莲体育场、枣庄体育场和武汉五环体育中心体育场。作为典型工程，介绍了三种不同类型轮辐式索结构体系，分别为深圳宝安体育场采用的双层索桁架体系、苏州奥体中心体育场采用的单层索网体系、徐州奥体中心体育场和郑州奥体中心体育场采用的大开口索承网格结构体系。
d.索网结构。分别介绍了为2022年冬奥会建设的国家速滑馆索网结构和国家重大科学工程500 m口径球面射电望远镜（FAST）主动反射面采用的索网结构。
4）膜结构工程实践。
膜结构具有轻质、透光等独有特性，近年来广泛应用于各类建筑结构中。回顾了膜结构在中国的发展，介绍了膜结构在体育场屋面体系中的应用，以及ETFE膜结构的应用情况。随着中国城镇化建设发展和国家全民建设运动以及环境保护政策的需求，为充气膜结构应用提供了发展空间，并在近年得到了快速发展。
2020, 35(7): 17-28.
doi: 10.13206/j.gjgSE20041901
摘要:
近年来，全球地震灾害频发，大跨空间结构受灾严重，造成严重的人员伤亡和极大的经济损失。为此深入揭示大跨空间结构的动力损伤破坏机理，发展韧性提升技术，已成为大跨空间结构领域研究的热点与难点。振动控制技术引起了国内外科研人员的广泛关注，然而目前结构振动控制技术的研究主要集中在框架结构和剪力墙结构中，缺乏针对大跨空间结构特性，如水平变形大、空间性强、动力特性复杂等特点的结合。开展大跨空间结构隔震减振研究，对提升结构韧性水平，最大限度减轻灾害风险具有重要意义。
系统总结了近年来国内外隔震技术和减振技术在大跨空间结构中的发展动态及工程应用情况。对于隔震技术，首先介绍了国内外大跨空间结构中常见的水平隔震支座，如橡胶隔震垫、摩擦滑板等的力学特性以及利用形状记忆合金等对常见水平隔震支座进行的改进。随后介绍了大跨空间结构三维隔震支座研发及力学性能研究现状，如早期的空气弹簧组合支座和液压组合支座，近年来研发的碟形弹簧组合支座和厚橡胶组合支座等，在总结现有研究成果的基础上指出了目前存在的问题以及继续研发具有抗拔功能和转动功能的新型三维隔震装置的必要性。随后分别介绍了大跨空间结构的隔震机理、分析理论和设计方法，考察了隔震前、后大跨空间结构的动力响应特性，分析了不同强度、不同类型的地震动以及行波效应等对隔震结构地震响应的影响等，证明了隔震技术能有效降低大跨空间结构的地震响应。最后介绍了隔震体系在大跨空间结构中的工程应用，展现了隔震技术在实际工程中的振动控制效果。
对于减振技术，首先介绍了国内外学者利用形状记忆合金的超弹性和高阻尼对常见的摩擦阻尼器和黏滞阻尼器等进行的改造和创新，以及智能控制和智能材料在大跨空间结构中的应用。指出现有阻尼器存在构造复杂、后期维护困难等问题，有必要继续提高大跨空间结构减振装置的耗能能力、自复位能力、抗疲劳性能及可更换性。随后以大跨空间结构中广泛应用的TMD装置、黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器为例，提出了阻尼器布置方法，研究了杆件替换率、地震动强度以及不同地震作用对减振效果的影响，证明了减振技术能有效降低大跨空间结构在地震、风等动力荷载作用下的响应。最后介绍了减振体系在大跨空间结构中的工程应用，展现了减振技术在实际工程中的减振效果。
此外，探讨了大跨空间结构隔震减振体系面临的主要问题和发展方向。在隔震减振元件研发方面，还需进一步研发可应用的三维隔震支座以及同时具有耗能能力、自复位能力、抗疲劳性能及可更换性的新型减振装置；在理论分析方法方面，还需继续开展试验研究，提出准确、简单、实用的理论分析和设计方法；在智能控制方面，主动控制和半主动控制等在大跨度空间结构中的研究应用相对较少，还需继续开发新型智能材料，优化智能控制算法，改善被动控制控制效果不理想的问题；在抗震韧性评估方面，还需进一步提出大跨空间结构隔震减振体系韧性提升技术，为大跨空间结构的安全运行提供理论支撑和技术保障。可为大跨空间结构隔震减振体系的深入研究和进一步应用提供有益的参考。
近年来，全球地震灾害频发，大跨空间结构受灾严重，造成严重的人员伤亡和极大的经济损失。为此深入揭示大跨空间结构的动力损伤破坏机理，发展韧性提升技术，已成为大跨空间结构领域研究的热点与难点。振动控制技术引起了国内外科研人员的广泛关注，然而目前结构振动控制技术的研究主要集中在框架结构和剪力墙结构中，缺乏针对大跨空间结构特性，如水平变形大、空间性强、动力特性复杂等特点的结合。开展大跨空间结构隔震减振研究，对提升结构韧性水平，最大限度减轻灾害风险具有重要意义。
系统总结了近年来国内外隔震技术和减振技术在大跨空间结构中的发展动态及工程应用情况。对于隔震技术，首先介绍了国内外大跨空间结构中常见的水平隔震支座，如橡胶隔震垫、摩擦滑板等的力学特性以及利用形状记忆合金等对常见水平隔震支座进行的改进。随后介绍了大跨空间结构三维隔震支座研发及力学性能研究现状，如早期的空气弹簧组合支座和液压组合支座，近年来研发的碟形弹簧组合支座和厚橡胶组合支座等，在总结现有研究成果的基础上指出了目前存在的问题以及继续研发具有抗拔功能和转动功能的新型三维隔震装置的必要性。随后分别介绍了大跨空间结构的隔震机理、分析理论和设计方法，考察了隔震前、后大跨空间结构的动力响应特性，分析了不同强度、不同类型的地震动以及行波效应等对隔震结构地震响应的影响等，证明了隔震技术能有效降低大跨空间结构的地震响应。最后介绍了隔震体系在大跨空间结构中的工程应用，展现了隔震技术在实际工程中的振动控制效果。
对于减振技术，首先介绍了国内外学者利用形状记忆合金的超弹性和高阻尼对常见的摩擦阻尼器和黏滞阻尼器等进行的改造和创新，以及智能控制和智能材料在大跨空间结构中的应用。指出现有阻尼器存在构造复杂、后期维护困难等问题，有必要继续提高大跨空间结构减振装置的耗能能力、自复位能力、抗疲劳性能及可更换性。随后以大跨空间结构中广泛应用的TMD装置、黏滞阻尼器和黏弹性阻尼器为例，提出了阻尼器布置方法，研究了杆件替换率、地震动强度以及不同地震作用对减振效果的影响，证明了减振技术能有效降低大跨空间结构在地震、风等动力荷载作用下的响应。最后介绍了减振体系在大跨空间结构中的工程应用，展现了减振技术在实际工程中的减振效果。
此外，探讨了大跨空间结构隔震减振体系面临的主要问题和发展方向。在隔震减振元件研发方面，还需进一步研发可应用的三维隔震支座以及同时具有耗能能力、自复位能力、抗疲劳性能及可更换性的新型减振装置；在理论分析方法方面，还需继续开展试验研究，提出准确、简单、实用的理论分析和设计方法；在智能控制方面，主动控制和半主动控制等在大跨度空间结构中的研究应用相对较少，还需继续开发新型智能材料，优化智能控制算法，改善被动控制控制效果不理想的问题；在抗震韧性评估方面，还需进一步提出大跨空间结构隔震减振体系韧性提升技术，为大跨空间结构的安全运行提供理论支撑和技术保障。可为大跨空间结构隔震减振体系的深入研究和进一步应用提供有益的参考。
2020, 35(7): 29-42.
doi: 10.13206/j.gjgSE20041902
摘要:
ETFE（Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene）气枕由于自重轻、造型丰富等优点，广泛应用于土木工程领域的大跨空间钢结构如水立方等以及航空航天领域的空间可展结构。ETFE气枕属于风敏感结构，在风荷载作用下，易产生较大的变形和振动，进而使得周围风场发生变化，引起显著的流固耦合效应。这种耦合效应可以通过结构形状改变、附加质量、气动阻尼和气承刚度的变化来表征。目前相关研究主要对张拉膜结构在均匀流情况下的流固耦合作用进行了研究，尚未发现有关ETFE气枕等充气膜结构方面的研究报道。
以方形ETFE气枕为研究对象，借助商用有限元软件ADINA，通过将CFD（Computational Fluid Dynamics）/CSD（Computational Structure Dynamics）分析结果与FSI（Fluid Structure Interaction）分析结果进行对比，探究其在均匀流场情况下的流固耦合作用的特点以及对动力响应的影响规律。数值计算中忽略能量的耗散，因此没有考虑气动阻尼的影响，通过有势流体考虑气承刚度的影响，着重研究了流固耦合作用中气枕形状改变和附加质量的影响作用。主要研究内容与结论如下：
假定外部流场为均匀层流场，采用8结点层流单元进行离散；ETFE气枕外围薄膜为线弹性材料且其变形满足大转动、小应变条件，采用3D-4结点膜单元进行离散；ETFE气枕的内充气体为小扰动、无旋的理想流体，采用8结点线性势流体单元进行离散。
在CFD模块，通过瞬态分析求得ETFE气枕刚性模型表面的风压分布和风荷载时程，然后将风压时程施加在CSD模块中ETFE气枕的膜面上，借助隐式时间积分进行时程分析，求得在不考虑流固耦合作用时气枕的风致响应。
通过分别在CFD和CSD模块中设置流固耦合界面，并在CFD模块中引入ALE（Arbitary Lagrangian-Euler）网格离散计算域以考虑流固耦合边界的运动问题，对均匀流场中的ETFE气枕进行双向耦合分析，计算其在考虑流固耦合作用情况下的表面风压和风致响应。
通过将CFD/CSD分析结果与FSI分析结果进行对比，研究流固耦合作用对ETFE气枕动力响应的影响规律。结果表明：两种情形下得到的风压分布和数值大致相同，说明在外部均匀流场情况下，气枕形状改变对流场的影响很小；而两种情形下的内压、位移、速度、加速度和应力响应时程结果差异较大，说明在外部均匀流场情况下，附加质量对ETFE气枕动力响应具有显著影响。可见，均匀流场与ETFE气枕的流固耦合作用，在不考虑气动阻尼的情况下，主要体现为附加质量的影响。
ETFE（Ethylene-Tetra-Fluoro-Ethylene）气枕由于自重轻、造型丰富等优点，广泛应用于土木工程领域的大跨空间钢结构如水立方等以及航空航天领域的空间可展结构。ETFE气枕属于风敏感结构，在风荷载作用下，易产生较大的变形和振动，进而使得周围风场发生变化，引起显著的流固耦合效应。这种耦合效应可以通过结构形状改变、附加质量、气动阻尼和气承刚度的变化来表征。目前相关研究主要对张拉膜结构在均匀流情况下的流固耦合作用进行了研究，尚未发现有关ETFE气枕等充气膜结构方面的研究报道。
以方形ETFE气枕为研究对象，借助商用有限元软件ADINA，通过将CFD（Computational Fluid Dynamics）/CSD（Computational Structure Dynamics）分析结果与FSI（Fluid Structure Interaction）分析结果进行对比，探究其在均匀流场情况下的流固耦合作用的特点以及对动力响应的影响规律。数值计算中忽略能量的耗散，因此没有考虑气动阻尼的影响，通过有势流体考虑气承刚度的影响，着重研究了流固耦合作用中气枕形状改变和附加质量的影响作用。主要研究内容与结论如下：
假定外部流场为均匀层流场，采用8结点层流单元进行离散；ETFE气枕外围薄膜为线弹性材料且其变形满足大转动、小应变条件，采用3D-4结点膜单元进行离散；ETFE气枕的内充气体为小扰动、无旋的理想流体，采用8结点线性势流体单元进行离散。
在CFD模块，通过瞬态分析求得ETFE气枕刚性模型表面的风压分布和风荷载时程，然后将风压时程施加在CSD模块中ETFE气枕的膜面上，借助隐式时间积分进行时程分析，求得在不考虑流固耦合作用时气枕的风致响应。
通过分别在CFD和CSD模块中设置流固耦合界面，并在CFD模块中引入ALE（Arbitary Lagrangian-Euler）网格离散计算域以考虑流固耦合边界的运动问题，对均匀流场中的ETFE气枕进行双向耦合分析，计算其在考虑流固耦合作用情况下的表面风压和风致响应。
通过将CFD/CSD分析结果与FSI分析结果进行对比，研究流固耦合作用对ETFE气枕动力响应的影响规律。结果表明：两种情形下得到的风压分布和数值大致相同，说明在外部均匀流场情况下，气枕形状改变对流场的影响很小；而两种情形下的内压、位移、速度、加速度和应力响应时程结果差异较大，说明在外部均匀流场情况下，附加质量对ETFE气枕动力响应具有显著影响。可见，均匀流场与ETFE气枕的流固耦合作用，在不考虑气动阻尼的情况下，主要体现为附加质量的影响。
2020, 35(7): 43-53.
doi: 10.13206/j.gjgSE20041903
摘要:
基于上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差提出一种改进应变能法，用于评价无环索弦支穹顶不同部位的拉索重要性。改进应变能法采用上部网壳总应变能变化量峰值作为主要评价指标，其目的是表征断索后上部网壳的最不利状态且避免断索导致的下部预应力索杆体系应变能损失对以结构总应变能为指标的评价结论的干扰。改进应变能法采用上部网壳杆件应变能变化率标准差作为辅助评价指标的目的是考虑上部网壳不同部位应变能变化的分布情况。
以含有三层无环索预应力索杆体系的直径100 m的无环索弦支穹顶为例。首先，建立结构有限元分析模型，通过施加预应力和外荷载得到无环索弦支穹顶的荷载态。然后，基于荷载态采用杆件瞬时移除技术完成断索模拟，采用中心差分积分模式的修正拉格朗日列式增量解法求解断后无环索弦支穹顶的杆件内力时程和节点位移时程。同时，基于杆件内力时程和节点位移时程，求得上部网壳每根杆件的应变能时程。最后，在此基础上，求得上部网壳总应变能时程和上部网壳杆件应变能变化率标准差。如果某部位断索后发生了结构连续倒塌，则该位置拉索的重要性排在首位或并列排在首位；如果未发生结构连续倒塌，则根据不同部位断索后的上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差为指标评价不同部位拉索的重要性。比较上部网壳总应变能变化量峰值，当断索后上部网壳总应变能变化量峰值越大，则该部位的拉索重要性越高；当上部网壳总应变能变化量峰值较为接近时，应补充比较上部网壳杆件应变能变化率标准差：上部网壳杆件应变能变化率标准差越大，拉索重要性越高。
结果显示：无环索弦支穹顶的所有拉索预应力乘以相同倍数后以及所有拉索的截面面积乘以相同倍数后，采用以结构总应变能作为评价指标的拉索重要性评价结论会随预应力倍数和截面面积倍数的变化发生明显变化。这种现象的主要原因是下部预应力索杆体系应变能下降而上部单层网壳应变能上升，导致结构总应变能变化规律复杂。基于改进应变能法，采用上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差作为评价指标，则拉索重要性评价结论不随预应力倍数、截面面积倍数和上部网壳形式的变化而变化，避免了下部预应力索杆体系应变能下降带来的干扰，且可以有效区分不同部位的拉索重要性。
研究表明：基于结构总应变能指标的拉索重要性评价方法不适用于无环索弦支穹顶，提出的改进应变能法可以有效评价无环索弦支穹顶不同部位拉索的重要性。基于改进应变能法分析发现：最外层预应力索杆体系中索力较大，断索的不对称变形导致不同部位拉索的重要性略有区别，拉索的中间段的重要性略小于其余各段；其余各层的索力远小于最外层，不同部位拉索的重要性没有明显区别。不同层预应力索杆体系之间，最外层的拉索重要性最高，向内依次降低。分析中还发现，断索部位附近的网壳杆件应变能变化较为明显，而距离断索部位较远的网壳杆件受到的影响很小；断索仅对无环索弦支穹顶的局部有影响，对结构主体的影响不大。
基于上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差提出一种改进应变能法，用于评价无环索弦支穹顶不同部位的拉索重要性。改进应变能法采用上部网壳总应变能变化量峰值作为主要评价指标，其目的是表征断索后上部网壳的最不利状态且避免断索导致的下部预应力索杆体系应变能损失对以结构总应变能为指标的评价结论的干扰。改进应变能法采用上部网壳杆件应变能变化率标准差作为辅助评价指标的目的是考虑上部网壳不同部位应变能变化的分布情况。
以含有三层无环索预应力索杆体系的直径100 m的无环索弦支穹顶为例。首先，建立结构有限元分析模型，通过施加预应力和外荷载得到无环索弦支穹顶的荷载态。然后，基于荷载态采用杆件瞬时移除技术完成断索模拟，采用中心差分积分模式的修正拉格朗日列式增量解法求解断后无环索弦支穹顶的杆件内力时程和节点位移时程。同时，基于杆件内力时程和节点位移时程，求得上部网壳每根杆件的应变能时程。最后，在此基础上，求得上部网壳总应变能时程和上部网壳杆件应变能变化率标准差。如果某部位断索后发生了结构连续倒塌，则该位置拉索的重要性排在首位或并列排在首位；如果未发生结构连续倒塌，则根据不同部位断索后的上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差为指标评价不同部位拉索的重要性。比较上部网壳总应变能变化量峰值，当断索后上部网壳总应变能变化量峰值越大，则该部位的拉索重要性越高；当上部网壳总应变能变化量峰值较为接近时，应补充比较上部网壳杆件应变能变化率标准差：上部网壳杆件应变能变化率标准差越大，拉索重要性越高。
结果显示：无环索弦支穹顶的所有拉索预应力乘以相同倍数后以及所有拉索的截面面积乘以相同倍数后，采用以结构总应变能作为评价指标的拉索重要性评价结论会随预应力倍数和截面面积倍数的变化发生明显变化。这种现象的主要原因是下部预应力索杆体系应变能下降而上部单层网壳应变能上升，导致结构总应变能变化规律复杂。基于改进应变能法，采用上部网壳总应变能变化量峰值和上部网壳杆件应变能变化率标准差作为评价指标，则拉索重要性评价结论不随预应力倍数、截面面积倍数和上部网壳形式的变化而变化，避免了下部预应力索杆体系应变能下降带来的干扰，且可以有效区分不同部位的拉索重要性。
研究表明：基于结构总应变能指标的拉索重要性评价方法不适用于无环索弦支穹顶，提出的改进应变能法可以有效评价无环索弦支穹顶不同部位拉索的重要性。基于改进应变能法分析发现：最外层预应力索杆体系中索力较大，断索的不对称变形导致不同部位拉索的重要性略有区别，拉索的中间段的重要性略小于其余各段；其余各层的索力远小于最外层，不同部位拉索的重要性没有明显区别。不同层预应力索杆体系之间，最外层的拉索重要性最高，向内依次降低。分析中还发现，断索部位附近的网壳杆件应变能变化较为明显，而距离断索部位较远的网壳杆件受到的影响很小；断索仅对无环索弦支穹顶的局部有影响，对结构主体的影响不大。
2020, 35(7): 54-61.
doi: 10.13206/j.gjgSE20051502
摘要:
系统梳理了2022年北京冬奥会国家速滑馆索网结构形态分析中的关键问题，包括位形优化、固定边界下的形态分析和考虑弹性边界的形态控制。
位形优化部分，介绍了决定索网位形关键参数的选取策略。首先基于理论双曲抛物面方程建立索网位形的数学描述；然后证明了正交正放双曲抛物面索网每个网格的四个角点共面，该特性使屋面模块可以按照平面设计和加工，显著降低加工和安装难度，从工程实施角度提出了索网位形控制的需求。之后根据几何约束条件，提炼出决定索网位形的关键参数，并通过参数分析，综合考虑JGJ 257—2012《索结构技术规程》建议范围、环桁架受力、预应力水平、刚度与用索量等因素，分别选取承重索垂度和稳定索拱度为8.25 m和7 m，进而确定索网的目标位形。
形态分析环节实现了固定边界条件下的索网形态控制。考虑边界形状、拓扑关系、预应力和屋顶重量分布等因素的共同影响，通过形态分析，使索网初始态位形相对理论抛物面最大偏差距离不超过5 mm，基本吻合双曲抛物面，同时索网水平投影为严格的正交正放网格，保证每个网格的四个角点共面。通过调节预应力水平，可以控制预应力在索包络力中所占比重和几何刚度在结构总刚度中所占比重，达到结构综合指标最优。
考虑弹性边界的形态控制是索网形态分析的最终目标。首先分析了支承结构弹性变形对索网形态的影响，发现直接应用固定边界形态分析得到的索网初应变时，索网初始态位形最大偏差为502 mm，承重索和稳定索内力分别下降了11.1%和7.3%。然后通过环桁架预变形和修正索网初应变，使主受力体系初始态中的索网形态与固定边界结果一致，实现了弹性边界下的索网形态控制，同时还使环桁架和斜拉索到达预定形态。
系统梳理了2022年北京冬奥会国家速滑馆索网结构形态分析中的关键问题，包括位形优化、固定边界下的形态分析和考虑弹性边界的形态控制。
位形优化部分，介绍了决定索网位形关键参数的选取策略。首先基于理论双曲抛物面方程建立索网位形的数学描述；然后证明了正交正放双曲抛物面索网每个网格的四个角点共面，该特性使屋面模块可以按照平面设计和加工，显著降低加工和安装难度，从工程实施角度提出了索网位形控制的需求。之后根据几何约束条件，提炼出决定索网位形的关键参数，并通过参数分析，综合考虑JGJ 257—2012《索结构技术规程》建议范围、环桁架受力、预应力水平、刚度与用索量等因素，分别选取承重索垂度和稳定索拱度为8.25 m和7 m，进而确定索网的目标位形。
形态分析环节实现了固定边界条件下的索网形态控制。考虑边界形状、拓扑关系、预应力和屋顶重量分布等因素的共同影响，通过形态分析，使索网初始态位形相对理论抛物面最大偏差距离不超过5 mm，基本吻合双曲抛物面，同时索网水平投影为严格的正交正放网格，保证每个网格的四个角点共面。通过调节预应力水平，可以控制预应力在索包络力中所占比重和几何刚度在结构总刚度中所占比重，达到结构综合指标最优。
考虑弹性边界的形态控制是索网形态分析的最终目标。首先分析了支承结构弹性变形对索网形态的影响，发现直接应用固定边界形态分析得到的索网初应变时，索网初始态位形最大偏差为502 mm，承重索和稳定索内力分别下降了11.1%和7.3%。然后通过环桁架预变形和修正索网初应变，使主受力体系初始态中的索网形态与固定边界结果一致，实现了弹性边界下的索网形态控制，同时还使环桁架和斜拉索到达预定形态。
