新型大跨度充气-张弦混合体系结构性能与成形方法研究

Large-span inflatable-string hybrid structure is a newly kind of structure combining the feature of string structure and inflatable structure, which has great potential for future application. However the short of its fundamental therory become the obstacle for usage. In this research, based on theory analysis and experimental studies, establishment of structure system and corresponding node design is first started; system optimization of 2-D and 3-D structures is then proceeded; thus a new inflatable-string hybrid structure with reasonable mechanics performance, easy construction and highly practical purpose is set up. Due to the highly non-linearity and time-varying characteristics of the structure during working stage and form-finding in construction, a entire set of numerical simulation methods and construction form-finding techniques have been established. Based on these results, the static stability and seismic behaviors have been investigated through parametrical analysis; the effect of various factors on strucutre performance has been studied; the failure modes and failure mechanism have been summed up. All these research will provide basic theory for the further application of the new inflatable-string hybrid structures.

大跨度充气-张弦混合结构综合了充气膜结构和预应力张弦结构各自的特点，在大跨度、超大跨空间建筑领域应用前景广阔；由于是一种全新的空间结构体系，目前相关的研究工作尚处于起步阶段。针对这一问题，本项目拟采用理论分析与实验研究相结合的方法，从结构体系的创构与配套细部节点设计入手，通过平面和空间结构体系的选型优化，提出受力合理、构造简单、高效实用的新型充气－张弦混合结构形式。其次，基于结构工作状态和施工成形过程中具有的强非线性效应和时变特点，建立适用于此类结构的一整套精细化数值计算方法和施工成形模拟技术。在此基础上，针对结构的静力稳定性能和抗震性能开展系统的参数分析，探讨各种可能因素对结构基本力学性能的影响规律，进一步揭示结构的失效模式和失效机理，从而为优化结构形式和改善受力性能提供有效的理论支撑。以上研究工作的开展，旨在为新型充气－张弦混合结构的应用奠定良好的理论基础。

大跨度充气-张弦混合结构是基于Tensairity概念而提出的一类新型结构体系，其结构外形美观、受力明确、制作施工简捷。本项目针对该结构体系，采用解析方法、数值模拟方法和试验分析等技术手段，主要在体系研发、形态优化、静动力稳定性、抗风性能、施工充气成形、失效模式、失效机理等几个方面集中开展了系统的理论和应用研究，在此基础上提出了充气式张弦结构设计原则和简化设计方法。首先提出了大跨度纺锤形充气式张弦桁架，大跨度双向网格式、辐射式、多气囊组合充气式弦支穹顶结构，通过研究结构体系构成、拉索与气囊组合构造、内气压设置等，总结了结构的合理构造和工作机制，实现了结构体系的研发。针对不同结构形式，基于流体腔分析方法，充分考虑膜材与气压间相互作用、气囊与内压值相关性以及温度交换等精细化技术开展结构初始形态优化分析，在此基础上开展了各类体系的稳定性、抗震、抗风等基本性能研究，通过大规模参数和实验分析，总结了气囊压力、初始预应力、垂跨比等对结构承载能力的影响规律以及关键控制参数，进一步揭示了充气-张弦混合结构的失效模式与失效机理，并提出了结构简化分析模型和解析设计算法。在充气-张弦混合结构施工成形及方法研究中提出了简化的逆向折叠法（SRF法），借助流体腔泵技术成功地实现了折叠气囊的充气展开仿真，并开展了实验验证分析，多类型气囊充气展开的实现也表明了该方法的普适性。提出了几类气压精确控制方案，讨论了充气顺序、支撑形式等因素对充气-张弦混合结构施工充气成形过程的影响，提出了高效、合理的施工顺序和方法。研究了充气-张弦混合结构漏气孔面积、气体温度、气囊分区等对结构失效的影响，提出了气囊分区策略，将意外漏气对结构的影响控制在局部。进一步探讨了断索对结构初始态、荷载态的影响以及敏感性，表明结构具有良好的整体抗倒塌性能。总体上，该项目实现了新型结构体系的研发与系统研究，基本完成预期目标。