基于鲁棒性的索穹顶结构形状优化设计

针对索穹顶结构缺乏有效的鲁棒性分析方法及基于结构鲁棒性能的优化设计现状,首先构建该类结构鲁棒性评价方法,然后结合实际工程案例分析Geiger型、Levy型和Geiger-Levy组合型3类索穹顶结构鲁棒性随结构榀数、环索圈数及矢跨比等形状参数的影响.在此基础上,采用遗传算法,进一步探索基于结构整体鲁棒性能的结构形状优化设计方法.研究发现,3类结构鲁棒性能均随着结构榀数、环索圈数及矢跨比等形状参数的增加而增强,且在相同形状参数设计条件下,Levy型鲁棒性能最强、组合型其次、Geiger型最弱.以Geiger型索穹顶结构平面索桁架撑杆顶部标高、撑杆长度和环索半径3组共6个形状参数为优化变量,在优化变量一定变化范围内(本文取结构初始模型中该值的80％～120％),经形状优化可有效提高鲁棒性(优化率39.8％)及结构抵抗不相称破坏的能力.     

Geiger型索穹顶结构参数分析

国内一些文献已经对索穹顶结构的静动力性能进行了一些研究,但涉及的参数比较单一,未能充分揭示其特性。本文运用空间非线性两节点直线杆单元和悬链线单元模拟索穹顶结构中的压杆和长索,对Geiger体系索穹顶结构进行全面参数分析(包括温度、预应力水平、构件截面面积、结构形体),得出了一些有益的结论,可以指导以后的索穹顶结构设计。     

复合式索穹顶结构连续倒塌分析

基于拆除构件法，以一个长轴为102m的索穹顶体育馆为工程背景，对外圈为Levy式、内圈为Geiger式的索穹顶进行了考虑节点等代建模的连续倒塌非线性动力分析，研究单根索破断对杆件内力及节点位移的影响，摸清复合式索穹顶结构的关键构件及结构的抗倒塌能力。仿真结果表明：内、外圈交界处的中环索为复合式索穹顶的关键构件；复合式索穹顶结构具有较好的抗倒塌性能，单根索破坏不会引起结构整体倒塌。     

Geiger型索穹顶结构模型抗连续倒塌试验研究

索穹顶结构冗余度低,关键构件的破坏可能会引起结构连续倒塌。为了解索穹顶结构的抗倒塌性能,并找出影响该结构体系抗连续倒塌性能的关键构件,采用拆除构件法对跨度6 m的Geiger型索穹顶结构模型进行了抗连续倒塌试验研究。结果表明：单根构件破断后,除个别构件外,其他大多数构件的内力均减小;不同工况下,产生最大竖向位移的节点随破断构件的位置不同而不同,单根构件破断引起的结构最大竖向位移为跨度的1/14;影响索穹顶结构抗连续倒塌性能的关键构件是环索及外斜索;对于同类型构件,构件失效位置对结构抗倒塌性能的影响由内向外依次增大;保证外圈环索不失效是索穹顶结构抗倒塌的关键。     

索穹顶结构几何拓扑布置的合理性

结构的鲁棒性一般可以定义为是结构体系在突发事件出现后维持其功能的稳健性能,它强调的是结构杆件分布拓扑关系的合理。本文以分析构件损伤的影响范围为切入点讨论索穹顶结构几何拓扑布置的合理性,通过计算影响范围的大小比较和确定构件的相对重要性,从而分析结构拓扑分布的合理性。在此基础上,可以进一步研究结构拓扑布置的优化,降低构件的影响范围,改善结构的鲁棒性。本文以Geiger型索穹顶为例说明这种思路。     

索穹顶结构的优化设计

索穹顶结构优化设计分为三个方面 :预应力优化设计、截面优化设计、形状优化设计。通过线性规划、齿形法及模态搜索法的联合应用 ,内力分析采用有限单元法 ,预应力优化设计采用线性规划法 ,截面优化设计采用齿形法 ,形状优化设计采用模式搜索法 ,编制了索穹顶结构优化的计算程序 ,将索穹顶结构优化设计的三个方面有机地结合在一起 ,进行了循环迭代求解     

新型脊杆环撑索穹顶结构静力性能分析

索穹顶结构是一种结构效率极高的大跨预应力空间结构,适用于体育馆、展览会馆等大跨度场馆的屋盖结构.为解决传统索穹顶结构脊索易发生松弛、斜索数量多等不足,丰富索穹顶结构方案,提出一种新型预应力空间结构——脊杆环撑索穹顶结构,具有无脊索松弛现象、承载能力提高、斜索数量少等优点.建立了脊杆环撑索穹顶的有限元模型,进行静力分析,研究结构在满跨、半跨均布活荷载的组合工况下弹性阶段的受力特点.进一步进行参数分析,探讨了结构基本参数对脊杆环撑索穹顶的杆件内力、节点位移及失效荷载的影响规律.分析结果表明,脊杆环撑索穹顶具有良好的静力性能,避免了脊索易松弛退出工作的缺点,结构整体刚度大于传统索穹顶,施工难度降低.结合初始预应力、矢跨比、斜索与水平夹角、构件截面及总截面面积等结构参数的影响规律,给出结构设计建议,为脊杆环撑索穹顶结构的工程应用提供依据.     

Kiewitt型弦支穹顶结构自振特性研究

弦支穹顶结构的自振特性是其本身固有的重要力学性能.运用有限元方法,基于ADINA软件建立了大跨度Kiewitt型弦支穹顶结构非线性动力特性分析的有限元模型.首先对35.4m跨度的K6型弦支穹顶结构进行了自振性能分析,得出结构前15阶自振频率及振型,由于弦支穹顶结构的对称性,其前15阶自振频率数值密集且变化均匀,说明结构的刚度分布均匀合理;前两阶振型水平与竖向振动同时存在,后几阶以竖向振动为主.着重针对环索预应力、撑杆长度、杆件截面、矢跨比四个因素对自振频率的影响进行了分析,拉索预应力及杆件截面对自振频率的影响非常小,矢跨比是影响自振性能最敏感的因素.     

索穹顶结构的动力特性计算分析

本在索穹顶结构静力计算的基础上,根据几何非线性原理,考察索穹顶结构在平衡位置作微小振动时,利用“摄动”理论和子空间迭代法,计算出肋环型索穹顶结构的低阶频率和相应的振型。并对结构频率随预张力和钢索截面的变化作了计算分析,绘出相应的关系曲线。分析表明,本所采用的分析方法和计算结果对索穹顶结构的应用和动力响应研究有参考价值。     

一种新型预应力空间结构——劲性支撑穹顶

基于索穹顶结构的技术难点以及高强钢拉杆性能特点,介绍了劲性支撑穹顶结构的构造.劲性支撑穹顶结构是由上部的预应力空间索网与下部的刚性支撑杆系组成的一种新型预应力空间结构.通过对不同跨度下索穹顶结构的拉索截面和劲性支撑穹顶结构刚性杆截面以及劲性支撑穹顶结构内部拉索与刚性杆截面对比分析,确定了劲性支撑穹顶结构的拓扑形式,验证了劲性支撑穹顶结构的合理性,并探讨了劲性支撑穹顶结构的发展前景与面临的主要技术问题.     

弦支双曲扁网壳结构的鲁棒构型分析及试验研究

针对不良拓扑布置导致的结构鲁棒性不佳问题，以系统传递函数的H₂范数为基础，建立结构鲁棒性定量评价指标和鲁棒构型求解方法。以单元相对密度为设计变量，采用变密度模型描述材料的刚度，将结构的鲁棒设计转化为连续体拓扑优化，并对大爆炸算法进行二级搜索的改进，进而求解连续体拓扑优化模型。以四点支承的弦支双曲扁网壳结构为例，分析不同荷载作用下的鲁棒构型，探索不同参数的大爆炸算法优化效果，通过静力试验和冲击试验，对优化后模型和未优化模型进行对比分析。结果表明，二级搜索的大爆炸算法可以有效地应用于弦支结构的鲁棒设计中，改进的大爆炸算法加快了收敛速度，依据鲁棒构型进行杆件布置，可显著提高结构的力学性能和抗干扰能力。     

上海源深体育馆预应力张弦梁优化设计与试验研究

探讨了预应力张弦梁的挠度限值、有效预应力以及下弦钢索的安全系数等设计原则问题,并提出了有关设计建议。在此基础上,基于有限元软件ANSYS 9.0对上海源深体育馆预应力张弦梁的矢跨比、上弦截面尺寸与钢索面积等主要设计参数进行了分析优化,并采用一阶方法对钢索的有效预应力进行了优化设计。以优化后的结构方案为原型,通过缩尺模型试验和非线性有限元分析,对原型结构的预应力张弦梁在张拉阶段、正常使用阶段以及承载力极限阶段的全过程受力性能进行了研究。结果表明,上海源深体育馆预应力张弦梁结构具有良好的受力性能和较大的安全储备,非线性有限元计算值与试验结果吻合良好。     

基于风洞试验成果的大跨度网壳结构优化

以某大跨度网壳结构为研究对象,对建筑结构进行了风洞试验.将风洞试验体型系数结果引入大跨度网壳结构并优化设计.应用复形法建立了网壳结构目标函数,初步拟定网壳结构的网格尺寸、网壳厚度、网壳矢高,以杆件的截面面积为设计变量,杆件的强度和最小截面尺寸为约束条件,并编制了相应的程序,对三圆弧网壳结构外形尺寸进行多种方案的优化设计,比较试验与规范风载体型系数优化结果,为类似网壳结构设计提供参考.     

预应力混凝土异形柱框架结构的性能及设计

预应力混凝土异形柱框架结构体系可以改善居住空间的质量 ,节约人类资源。本文在现有大量异形柱的研究成果与有关钢筋混凝土非线性力学等基本理论的基础上 ,针对该框架特点 ,对框架作适当的单元划分 ,提出了简化计算模型。通过大量的计算分析 ,对预应力混凝土异形柱框架结构的性能进行了探讨 ,并由此提出了相应的设计方法     

基于生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法的空间结构优化方法

为弥补传统设计理念和优化方法的不足,促进空间结构的发展与创新,结合前沿优化理论,依据模拟植物生长算法(PGSA)的基本原理,提出基于生长空间限定与并行搜索的模拟植物生长算法(GSL&PS-PGSA),并与空间结构优化相结合,建立了基于GSL&PS-PGSA的空间结构优化方法。给出了相应的结构优化流程,并采用MATLAB及ANSYS二次开发语言APDL编制了优化程序。通过单层球面网壳截面优化和弦支穹顶预应力优化的典型空间结构算例分析,结果表明：所提出的GSL&PS-PGSA为算法提供了有效的终止机制,且具有高效的计算效率及全局搜索能力;与遗传算法(GA)、粒子群算法(PSO)、ANSYS自带优化方法以及其他改进PGSA算法等相比,GSL&PS-PGSA的优化效果更为显著且具有明显优势;所建立的基于GSL&PS-PGSA的空间结构优化方法,可适用于各类传统和新型空间结构体系的优化问题。     

钢框架结构基于整体优化策略的非线性抗震设计

针对现有抗震优化设计很少考虑结构非线性反应的缺点,提出了整体优化策略,并运用到钢框架结构造价最小的抗震优化设计中。以结构构件截面尺寸为设计变量,结构构件的总体积为目标函数,整体优化策略在以结构弹性强度和弹性变形为约束条件的基础上,增加弹塑性变形为约束条件,与我国抗震设计规范两阶段设计方法相对应,因此基于整体优化策略的优化设计结果可以作为最终的结构设计方案。整体优化策略不仅能够考虑结构的非线性反应,而且可以采用我国抗震规范的相关规定作为约束条件,适用于钢框架结构造价最小的抗震优化设计。     

张拉整体高耸结构优化研究

张拉整体高耸结构是一种新型结构体系,是张拉整体在竖直方向上的应用,目前尚未有功能性结构建成。针对一座电视塔的张拉整体高耸结构,采用改进的遗传算法和三级混合算法,依靠有限元分析对结构进行了优化设计。改进的遗传算法能够识别迭代过程中松弛的索,通过自动调整对应编码区的变异率来避免索的松弛,采用非线性求解器对结构的侧向刚度进行优化;三级混合算法包含了模式搜索法、单纯形法和齿行法,采用线性求解器对结构的侧向刚度和自重进行了联合优化,提高侧向刚度的同时减小自重。优化结果表明：这两种优化算法都能够在预应力水平基本不变的情况下大幅提高结构侧向刚度,优化效果良好。     

基于H ∞ 理论的结构鲁棒性分析

基于H ∞理论,提出一种定量评价结构鲁棒性的新方法。采用状态空间模型描述结构系统,基于H ∞最优,采用系统传递函数的H ∞范数作为结构鲁棒性的定量评价指标。对线性系统,分离刚度矩阵的不确定性,给出了H ∞结构鲁棒性指标的计算方法;对非线性系统,引入L 2性能准则表达鲁棒性。通过单自由度体系和桁架结构,明确了鲁棒性指标的物理意义,分析影响结构鲁棒性的因素。结果表明：基于H ∞理论的结构鲁棒性指标代表了结构稳态振动反应的最大振幅与干扰幅值之比,可以反映外部干扰和结构内部的不确定性与结构的响应是否成比例;提高结构整体承载力储备、耗能能力以及关键构件的冗余度可以增强结构的鲁棒性;且H ∞鲁棒性指标对结构参数变化较为敏感。     

Optimization of ductility in concrete ductile frames

An investigation of the parameters affecting the optimization of curvature ductility in a reinforced concrete frame sub-assembly subjected to seismic loads is presented using the feasible directions method. Four design variables are used: width of beam cross section, effective depth of cross-section, area of tension steel, and compression reinforcing. Two other variables, concrete compressive strength and yield strength of reinforcement, are treated as preassigned parameters because these quantities are usually taken as integer values in structural design. Curvature ductility is maximized for a given demand moment when one uses: the lowest yield strength steel and the highest concrete strength available; equal amounts of tension and compression reinforcement; the largest cross-section permitted by the design constraints; and sufficient reinforcement to just satisfy the demand moment constraint.     

Structural selection and accuracy control of the large aperture fully steerable antenna

Taking the 110 m fully steerable antenna structure to be built in the future as the research platform, in order to improve the main reflector surface precision, traditional antenna structure performance and its influence mechanism on surface precision are systematically analyzed. Aiming at the disadvantages of traditional structure, a new scheme for fully steerable antenna structure with high efficiency is proposed. Based on the established overall structure scheme and investigation for several kinds of antenna optimization methods, the genetic algorithm is introduced and a series of its typical operators are improved for cross section optimization of back frame structure. Finally, after conceptual optimization for structure system and size optimization for cross section of back frame structure, the innovative scheme improves the main reflector surface precision significantly and its maximum could be reduced to 0.306 mm. Compared with the largest exiting antenna structure Green Bank Telescope in the USA, the innovative scheme for fully steerable antenna structure proposed realizes that reflector area increases 10%, main reflector surface precision improves 12.6%, the total structure weight decreases 40%, and its performance reaches the international advanced level. These achievements provide reference for structural design, construction, maintenance, and surface precision analysis of this kind of fully steerable antennae.