大跨度弦支结构的鲁棒性理论及试验研究

现有的大跨度钢结构设计中较少考虑结构受到意外干扰时的性能，但近年来人为事故和自然灾害对其破坏性愈加突出，结构倒塌事件时有发生。增强结构的鲁棒性可以降低其对干扰的敏感性，提高抗倒塌能力。目前，结构鲁棒性研究主要集中在简单的桁架、框架结构，在复杂的大跨度空间结构领域中尚为空白，且缺乏有效的数值表达和可行的设计方法。本课题首先扩展结构鲁棒性的范畴，建立多层次的结构鲁棒性评价体系；其次，选择空间结构中单元类型齐全的弦支结构，将有限元和拓扑理论相结合，研究其失效机理、失效场景及综合考虑鲁棒性和经济性的结构优化策略；再次，研究相关参数对弦支结构鲁棒性的敏感度，探索合理的弦支结构新形式，提出基于鲁棒性的结构设计原则；最后，进行多个类型的模型试验，验证本课题提出的结构鲁棒性理论的合理性。通过本课题的研究，将建立弦支结构鲁棒性的评价体系和分析方法，提高结构抵抗不相称破坏的能力，为相关规程的编制提供理论依据。

网格结构与弦支网格结构是最为广泛应用的空间结构形式，但目前设计时较少考虑结构受到意外干扰时的性能。增强结构的鲁棒性可以降低其对干扰的敏感性，提高结构抵抗不相称破坏的能力。目前，空间结构的鲁棒性研究甚少，因此，对空间网格和弦支网格结构的鲁棒性理论进行系统研究，具有十分重要的理论意义和工程价值。.本项目从结构鲁棒性定量评价指标、基于鲁棒性的优化设计方法、多工况下网格结构的鲁棒设计、弦支网格结构的鲁棒设计、弦支网格结构的布索理论和模型试验等几个层次展开研究。具体内容如下：.借鉴H2/H∞最优的思想，针对线性结构系统，根据定性描述的结构鲁棒性定义，从结构自身的属性出发，建立了H2/H∞结构鲁棒性定量评价指标。阐释了H2/H∞鲁棒性指标的性质、物理意义，以及影响结构鲁棒性的因素，验证了提出的评价指标的合理性和有效性。.针对非线性结构系统，引入L2性能准则，利用凸集模型表达不确定性干扰，给出考虑弹塑性的结构鲁棒性计算公式，进而分析弹塑性、冗余度以及外部荷载和结构自身的不确定性与鲁棒性的关系。以上两部分研究为基于鲁棒性的结构分析与设计提供了理论基础。.以结构鲁棒性H2为优化目标、H∞为约束条件，通过考虑多种荷载工况下的连续体拓扑优化，搜索鲁棒性能最佳的结构刚度分布形式。.通过引入初始预应力，提出鲁棒构型与初始预应力的联合优化方法，实现对弦支网格结构的鲁棒设计。.通过Hough变换提取布索位置曲线，并优化索端点位置，通过结构的布索理论优化出合理的布索方案。.分别按照鲁棒设计和常规设计制作四个双曲扁网壳结构模型，通过模拟动力冲击和静力超载两种干扰场景，观测了结构的位移响应和失效场景，对比四个模型的鲁棒性能，验证了基于鲁棒构型设计的网格结构、弦支结构，具有更好的鲁棒性。