索支撑空间网格玻璃采光顶结构体系及工程设计理论研究

本项目将索支撑空间网格结构这一体现玻璃材料自身特点的新型结构形式引入到我国的玻璃采光顶结构产业中，并针对其发展过程中迫切需要解决的一些基础性理论问题展开研究，目的是推动我国玻璃采光顶结构产业向形式更新、技术要求更高的方向地发展。研究内容包括三个方面：（1）索支撑空间网格结构形态设计，以平面四边形网格为基础，采用自由曲面形态创构方法进行结构形态设计，发展出能满足各种建筑意图的"薄"而"硬"的、自由、多样的曲面形状；（2）索支撑空间网格结构半刚性节点研究，通过通过模型试验和数值模拟方法掌握其力学性能，确定节点细部构造和设计方法；（3）索支撑空间网格结构稳定性和抗震性能研究，采用独特网格形状（平面四边形网格）、网格形式（钢结构+柔性交叉斜索）、曲面形态（自由曲面形态创构方法设计）和节点形式（半刚性节点）的索支撑空间网格结构，其结构整体稳定性和抗震性能会与传统单层网壳结构有很大不同，需要加以研究。

根据本项目任务书，对索支撑空间网格结构的形态设计、结构整体稳定性、结构抗震性能和结构半刚性节点四部分内容进行了研究，完成了任务书中所提出的研究内容，实现了任务书提出了研究目标，取得了较满意的研究成果。成果内容如下：1）提出了自由曲面索支撑空间网格结构形态优化方法，并验证了该方法的有效性。该方法采用结构整体应变能为优化目标、结构高度为优化变量、共轭梯度法为优化算法，将优化结构整个曲面转化为优化结构的准线和母线，以保证平行四边形网格和减少优化变量. 同时为保证曲面光顺，本文引进B样条曲线建立曲面，并采用B样条曲线上控制点作为优化变量进行多目标形态优化。采用本文的优化方法，初始曲面和优化后曲面变化不剧烈，适用于对给定初始曲面结构进行形态优化。2）采用力学指标（最大位移、特征值屈曲荷载、应变能），几何指标（杆件均方差、优化曲面和初始曲面差），经济指标（结构用钢量）等多目标函数对自由曲面索支撑空间网格结构进行多目标优化。3）对索支撑空间网格结构的抗震性能进行研究，分析结果表明，大震下，钢杆件应力，索应力，以及节点位移较小，结构几何非线性和物理非线性较弱，说明结构具有良好的抗震性能。4）采用振型分解反应谱法进行结构地震反应计算时，给出挑选结构主要振型的标准，振型贡献系数。采用该系数可以有效的提出大跨结构中对地震反应起主要作用的振型。5） 详细分析半刚性节点中钢管的厚度、螺栓的直径和螺栓的间距对半刚性节点承载能力影响。6）基于连续壳体理论，给出了考虑几何非线性影响的具有初始几何缺陷的椭圆抛物面索支撑空间网格结构整体稳定承载能力公式，以及联方柱面索支撑空间网格结构整体稳定承载能力公式，物理意义明确。弯曲应力和结构几何非线性是引起理论公式误差的主要因素，可以通过乘以折减系数加以考虑。考虑折减系数后，理论公式具有较好的精度。