大型复杂空间钢结构施工过程模拟分析关键技术研究

本课题的研究目标是将时变结构力学理论、有限元模型修正技术、优化方法及数值计算技术引入大型复杂空间钢结构施工过程模拟分析中,研究空间钢结构施工过程分析中结构模型实时动态修正技术、预应力输入效率分析与张拉方案优化方法、结构临界失效状态确定及失效预警方法,从时变力学的观点描述结构在施工过程中非线性动态变化的力学过程。通过实时数据反馈与模型修正,预测后续施工阶段结构的力学特征,揭示施工过程中结构的力学机理;提出施工过程中识别并确定主要控制参数的准则与方法以及施工目标路径的修正原则,并提出结构施工过程计算模型的实时修正方法,导出结构非线性切线刚度矩阵的修正算法;提出预应力空间钢结构施工张拉效率的分析方法及确定合理施工张拉方案的准则;提出伺服施工过程中结构临界失效状态的判定准则和临界失效模式的确定方法,进而提出伺服施工过程控制的参数化预警方法。进行二次开发,编制相应的钢结构施工过程数值模拟计算程序。

现代大型复杂钢结构建筑通常体量庞大、形态新异、体系复杂，传统的施工技术和计算方法已不能满足其施工过程力学性态预测与施工过程安全控制的需要。本课题以大型复杂空间钢结构为研究对象，对该类结构在施工过程分析中结构模型的实时动态修正技术、预应力输入效率分析与张拉方案优化方法、施工过程监测技术、结构失效临界状态确定及失效预警方法进行深入的研究，获得的主要成果如下：. (1) 改进了以初始应变为预应力输入方式的找力分析方法，并将其与已有的找形分析方法相结合，提出了改进的找形方法与伺服施工张拉分析方法；(2) 完成了索撑节点试验，基于试验结果，对预应力张拉效率进行研究，提出了反映张拉效率的参数；首次提出了滑移力密度概念及参数，将试验结果与有限元分析结果进行对比，从而获得该类节点的滑移静摩擦系数，进而提出索撑节点滑移本构模型，并首次将其引入弦支穹顶整体计算模型中，从而在分析模型中考虑节点滑移效应；(3) 以北京大飞轮结构为背景，研究轮辐索预应力的分布特征，提出了张拉过程中轮辐索预张力的确定原则；并根据不同空间钢结构体系的施工方法及结构体系时变特点，提出了结构旋转安装施工过程计算模型实时修正的矩阵转换的分析算法；(4) 以生命之环钢结构工程和山西大同美术馆钢结构屋盖工程为背景，对空间结构施工过程分析方法、施工过程监测方法进行研究，提出了施工过程主控参数确定方法、主控参数监测测点布置原则以及施工过程监测数据的处理与补偿方法；(5) 根据结构施工过程分析结果及现场监测数据特点，提出了施工过程中施工系统（失效）状态的参数化预警方法；(6) 以实际工程为背景，对整体滑移法、折叠展开法、旋转安装等施工方法进行深入研究，提出该方法的各个施工阶段中的关键问题以及合理建议。. 以本课题为背景，共培养博士生3 人（1 人毕业，2 人在读）、硕士生4 人（3 人毕业，1 人在读）；发表相关论文19 篇，其中SCI检索1 篇，EI 检索4 篇，ISTP 检索1 篇，国际会议论文8 篇，国内核心2 篇，国内会议论文4 篇，并有3 篇论文在审。项目申请书中计划的研究内容基本完成，包括空间钢结构预应力张拉效率研究、施工过程计算模型实时修正的矩阵转换的分析算法、施工过程分析方法研究、施工过程中主控参数确定方法以及结构临界失效状态的判定准则研究；并补充研究了施工过程监测方法及数据处理与补偿方法。