灾害雪荷载作用下索杆张力结构的倒塌破坏分析与控制

Vector Form Intrinsic Finite Element Method (VFIFE) is a new method to study the moving process of structure with the point value description, and effective to simulate mechanics behavior such as large deformation, large displacement, collision and collapse. Taking VFIFE as the basic tool, the collapse of cable-strut tensile structures under disastrous snow load is simulated by the means of theoretical analysis, experimental research and program development. The model of disastrous snow load on structures with complex form is first established as well as the accurate mechanical model of different components. Based on the developed program, the collapse process of cable-strut tensile structures is then simulated and the collapse model, collapse mechanism and common laws are investigated. Followed that, the optimization design or reasonable reinforcement method are discussed to make the structure fail in reasonable mode under extreme load. The influence of shape variation on the ultimate bearing capacity of structure is finally analyzed and the method introducing actuator or length adjustable device is proposed to improve the structural performance. The above work will make the contribution on developing the hazard analysis method and defense method of the cable-strut tensile structures.

向量式有限元是一种采用点值描述来研究结构运动过程的新方法，能有效求解大变形、大变位、碰撞、倒塌等力学行为。本项目以向量式有限元方法为基本工具，通过理论分析、试验研究、程序开发等手段，建立复杂形体结构灾害雪荷载模型和不同受力构件精确力学分析模型，实现索杆张力结构在灾害雪荷载作用下的倒塌全过程模拟，研究其倒塌模式、破坏机理及共性规律；探索设计优化或合理补强的方法控制其在极端情况下的破坏发生在"合理"模式；研究形状改变影响结构抗倒塌破坏性能的机理，并探索通过布置作动器或长度可调装置改变结构形状，进而改善结构在灾害荷载作用下的极限承载力及抗倒塌破坏性能，为发展索杆张力结构灾害分析方法及防御方法做出贡献。

近年来暴风雪灾害导致的大跨索杆张力结构破坏时有发生，给社会生产和人民生命安全带来重大损失，因此研究灾害雪荷载作用下索杆张力结构的倒塌破坏和控制具有重要的社会意义和科学意义。本项目研究了风雪作用机理和数值模拟方法，对典型形体索杆张力结构考虑风作用的雪荷载不均匀分布进行了模拟，提出了球壳屋盖、单坡屋盖风致积雪分布系数计算公式，并引入灾害雪荷载系数和融雪再结冰系数对雪荷载模型进行了修正，为准确、安全的灾害雪荷载确定提供依据。建立了钢拉索静力拉伸模型，考察了拉索抗弯刚度及截面应力分布规律，引入截面应力修正系数对截面平均应力进行修正。对索杆张力结构中常用的两类索支撑压杆进行了非线性有限元分析，探讨了支撑索不同初始预应力、初始缺陷和支撑杆不同刚度对压杆及索杆单元稳定性的影响。建立了适用于向量式有限元的精细梁单元弹塑性分析模型，对平截面假定进行了修正。上述不同构件精确的力学分析模型放弃和修正了传统基本假定，更准确地反应了构件真实受力状态。研究了基于求解运动路径的结构屈曲跟踪方法，建立了断裂、碰撞等不连续行为的判断准则和模式，开发了基于向量式有限元的索杆张力结构非线性分析程序，实现了结构倒塌全过程模拟及动态显示，研究了不同荷载强度、荷载分布及索破断、支座破坏等初始缺陷下结构力学性能和倒塌破坏模式。采用遗传算法对索穹顶结构进行单目标和多目标形状优化设计，通过灵敏度分析研究了结构形状改变性能的机理，进一步提出了基于非线性力法的索杆结构控制方法，可求解作动器最小需求量及布置方案。对一10米直径的人字肋环型索穹顶结构模型开展了形状调控试验研究，完成了指定节点的位移调控和指定杆件的内力调控。上述研究补充和完善了我国现行建筑荷载规范中的雪荷载条例，同时为索杆张力结构的灾害分析、评估及防御提供了强有力的理论基础和技术支持。