考虑缺陷的大跨度索杆膜空间结构施工跟踪与控制研究

大跨度索杆膜空间结构在我国和世界范围内被广泛的应用，但传统的设计分析方法并没有考虑带有施工缺陷的施工成型过程，这就导致了建成后的结构形态与设计不符、结构施工完毕后的承载力很难满足设计要求的后果，整体结构存在安全隐患。因此，针对目前薄膜结构施工与设计相脱节的问题，以大跨度索杆（梁）膜结构为研究对象，采用动态非线性有限元分析方法，研究整体结构施工跟踪与控制技术，分析实际施工过程中存在的施工缺陷问题，确定整体结构的施工力学分析方法，项目预期将揭示带有施工缺陷因素的施工成型跟踪与控制关键技术，实现结构的虚拟建设，建立设计与施工一体化分析理论。项目的研究成果对于加强薄膜结构的检测与安全监控、减少结构灾害具有重要的工程意义，可为薄膜结构的施工与设计提供科学依据。

膜结构是一种新型大跨度空间结构。作为空间结构形式中的典型代表，其设计内容和分析方法要比传统结构复杂得多。膜结构形态分析等方面的研究已趋于成熟，但与设计密切相关的施工问题，如合理选取施工成形方案、成形误差控制等，却始终缺乏深入研究。本课题旨在通过对索杆膜空间结构进行施工跟踪与控制的理论与试验研究，建立适于索膜结构施工过程模拟的数值计算模型，明确设计与施工的关系，揭示索膜滑移及膜布缺陷等对大跨度索杆膜空间结构受力状态的影响，完善现有的膜结构施工检测与安全监控理论。. 本课题采用理论分析、模型试验、数值模拟相结合的研究方法，主要取得了以下研究成果：（1）为适应索膜结构施工过程模拟的需要，针对传统弹簧质点模型计算精度差的问题，提出了两种新型的弹簧质点模型及相应的变形算法，给出了各弹簧参数的解析表达式，在保留弹簧质点模型计算效率高等优点的同时，显著提高了弹簧质点模型计算精度；并将所提出的弹簧质点模型推广到正交各向异性膜材，使得模型能适用于任意膜材的材料常数及任意的三角形单元划分；进而基于新型弹簧质点模型，提出了几何大变形增量计算方法，使得弹簧质点模型能够准确处理大应变、预应力等问题。（2）根据弹簧质点模型特点，提出了索在中间支座上滑移的处理方法，通过保持索、支座共节点、改变索单元原长的方法来模拟索滑移过程，有效避免了滑移后单元重划的困难；并进一步推广到索膜滑移问题中，为考虑索膜滑移的膜结构施工分析奠定基础；（3）基于新型的弹簧质点模型及增量计算方法，对考虑索膜滑移情况下的空间膜结构施工过程进行了模拟，指出了在索膜结构找形分析中需要考虑索膜滑移的原因，揭示了施工过程中索膜结构应力状态的变化情况，研究了施工误差对于索膜结构受力状态的影响；（4）采用弹簧质点模型分析了褶皱的形成机理, 模拟了膜结构完整的褶皱过程，分析了影响膜结构褶皱的敏感参数；（5）开展了含缺陷膜结构张拉试验分析。以双曲抛物面索膜结构为试验模型，测量分析了索膜结构在不同施工步骤中的应力应变状态变化；研究了膜套裂口、膜面圆缺口等缺陷对于膜结构应变分布的影响。本课题研究成果有助于完善空间膜结构的设计理论，为膜结构施工过程分析等提供了理论方法和试验依据。