复杂张拉结构施工误差的控制理论研究

Tension structures are widely applied in the large span space structures. For complex tension structures with large number of cables and sophisticated constitution, structural configuration and force depend closely on each other. Consequently, traditional tension method to adjust cable lengths according to measured force values will be very difficult to meet designed structural configuration and force. Recently the application of 'design and tension in fixed length and size' method provides an effective way to control cable forces precisely during construction process, but it cannot correct the random construction errors induced during fabrication, erection or tension process. As a result, the length tolerance criteria of elements are urgently required to accelerate extensive application of this method. The present technical specifications and codes specify the length tolerance criteria for single isolate cable, without considering its position and importance in the whole structural system. This project is to conduct a fully research on the influence and sensitivity of construction errors for complex tension structures by theoretical analysis and experimental research. First the superimposed influence of several construction errors is to be studied; and the different distribution patterns of construction errors will be analyzed to make comparisons and obtain the optimal distribution pattern. Then a universal method to determine the tolerance criteria for different members in different kinds of tension structures is to be proposed, on the basis of structural reliability theory. The research results will contribute to the design, construction and acceptance of complex tension structures.

近年来空间张拉结构获得了广泛应用。对于拉索众多、索网构型复杂的张拉结构，其索系相互作用较强，形与力的密切联系使得依据现场索力实测结果进行索长调整的传统张拉方法很难将索力与几何位形调整到设计状态,而且拖延工期、增加施工成本。新近发展的"定尺定长设计与张拉"方法能有效解决上述问题，但该方法无法纠正加工、安装与张拉等过程中产生的大量随机施工误差，因而需要依据结构类型确定各类施工误差的限值。现有相关技术规程，均以单根拉索的制作与安装水平孤立地界定其加工误差，尚没有基于结构性能确定误差控制及评定标准，难以有效控制整体结构的误差效应及影响。本项目将通过理论分析与模型试验，对复杂张拉结构施工误差的影响与敏感性开展研究，确定其施工误差的"非简单叠加"原理及合理分布模式，根据结构可靠度理论确定各种类型张拉结构中不同构件施工误差的控制范围，研究成果将为复杂张拉结构的设计、施工及验收提供依据。

复杂张拉结构在实际工程中应用广泛。对于复杂张拉结构，采用“定尺定长索”设计与施工，更易找到其初始预应力态，经济美观且施工成本低。本报告对复杂张拉结构，在使用“定尺定长索”的设计与施工时的索长误差控制的相关问题进行研究，并给出了相应的控制方法或解决方案。. 首先，对于复杂张拉结构，明确在使用“定尺定长索”设计与施工时，初始索长误差是最关键的施工误差，并利用平衡矩阵理论，推导证明了初始索长误差分析中的一些基本假设及前提。接着，对肋环型索穹顶结构进行了初始索长误差的敏感性分析。在敏感性分析的基础上，引入随机数学中的可靠度理论以及非线性数学规划方法，提出了初始索长误差控制限值的计算方法。在此基础上，研究了拉索制造的质量控制水平、预应力态下容许的索力偏差大小，以及结构可靠度容许限值对初始索长误差控制限值的影响，为张拉结构设计与施工提供了索下料长度控制的误差标准。同时，研究了采用“定尺定长索”设计与施工时，张拉结构全生命周期内，不同温度作用对张拉结构的影响，并根据影响性质的不同将其分为作用于整体结构及作用于部分构件两类。在此基础上，研究了两类温度作用对结构的影响与边界支承条件的关系。此外，以实际建造的肋环型索穹顶结构为例，提出了温度作用控制范围的计算方法，并给出当温度作用超过限值时，通过调整索下料长度补偿温度作用影响的方法。. 本报告还提出了索网幕墙结构体系变形预调值的计算方法。在进行变形预调的情况下，对比分析获得了对安装玻璃影响最小的优化安装顺序。研究了索网幕墙结构在采用“定尺定长索”设计与施工时，整索初始索长误差和节点连接标定偏差对结构的影响，提出了同时考虑这两种误差的施工误差限值计算方法。. 最后，本报告设计了平面投影为矩形的肋环型索穹顶模型进行试验研究。通过不同荷载工况的试验进一步研究了矩形平面肋环型索穹顶的结构特性，在此基础上分析了各类构件的误差敏感性，最后通过试验研究初始索长误差对荷载态的影响，验证了前文相关结论。