新型多面体空间刚架的基本单元研究

基于气泡理论的多面体空间刚架是一种全新的空间结构,具有重复性高、汇交杆件少、节点种类少,结构承载、抗震、延性好等特点,在国家游泳中心“水立方”结构中得以应用。这种新型结构的基本单元是气泡理论中对三维空间进行有效填充的多面体。本文提出了新型多面体空间刚架结构中的基本单元———类Weaire-Phelan多面体单元,并通过图形解析和数学解析两种方法研究基本单元的几何构成,揭示了该类单元的重要特征———其基本形状仅由一个独立参数所控制,可定义其为形状控制参数c,并进一步揭示了多面体空间刚架中c的合理取值范围以及c和空间刚架总杆长及杆长种数的关系。这些研究成果为这一新型结构的几何构成奠定了理论基础。     

新型多面体空间刚架的几何构成优化

基于气泡理论的新型多面体空间刚架系由类WP多面体单元经组合、阵列、旋转、切割而生成,它有别于传统空间结构由单元体简单组合而成。因此,基本单元的形状与尺寸、旋转轴、旋转角度、切割面位置等都是影响整体结构几何构成的重要参数,也是结构几何构成优化的主要内容。通过对这些参数的分析比较,本文提出新型多面体空间刚架几何构成的优化准则,提出最优切割面和可行切割面的重要概念,从而为建立各种高效合理、同时充分满足建筑效果的结构构成提供理论依据与可行方法。在此基础上,结合国家游泳中心“水立方”结构,具体说明了本文提出的优化原则与方法在实际工程中的应用与效果。本文研究揭示了多面体空间刚架结构区别于传统结构的一个重要特点———建筑尺寸由结构的几何构成所确定。     

国家游泳中心结构设计与研究

正在兴建的国家游泳中心“水立方”为2008年奥林匹克运动会的游泳、跳水、花样游泳、水球比赛场地,赛后将继续提供重大水上比赛场地,同时为市民提供综合水上娱乐中心以及会议展览场地等.国家游泳中心屋盖和墙体采用了基于气泡理论的多面体空间刚架结构,为国内外首创.其构成方式是将由多面体细胞填充的巨大空间进行旋转和切割,从而得到建筑的外轮廓和内部使用空间, 切割产生的内外表面杆件和内外表面之间保留的多面体棱线便形成了结构.这种新型空间结构的受力特性介于网架和空腹网架之间,结构设计面临着许多新课题.本文介绍了国家游泳中心结构设计中的关键技术问题,包括多面体空间刚架结构的几何构成与设计优化、荷载分析与取值、结构总装整体分析、静力弹塑性分析（pushover analysis）、动力弹塑性时程分析、节点设计与试验研究等.     

国家游泳中心工程新型多面体空间刚架钢结构安装方案设想

国家游泳中心上部屋面和墙体结构为基于Weaire-Phelan多面体理论生成的空间刚架钢结构,结构形式新颖独特,国内外尚属先例。简要介绍了这一新颖多面体空间刚架的结构特点和施工难点,比较国内空间大跨结构的安装方法,提出了适合于国家游泳中心钢结构的安装方案——高空单元散装法,对这种新型的空间钢结构的安装、测量、焊接和卸荷方案进行了有益的探索。     

刚柔相济塑造"水立方"

5月16日,北京市建委在国家游泳中心项目部召开了“国家游泳中心新型多面体空间刚架结构施工技术研究”科技成果鉴定会。经由九位资深专家组成的成果鉴定委员会鉴定,这项国家游泳中心施工综合技术中最重要的成果达到国际领先水平。专家们一致认为:国家游泳中心工程所采用的“新型多面体空间刚架结构”造型复杂、构件数量大,施工中构件的制作、安装、管理难度高。项目能够突破常规钢结构安装思维,采取多种技术方案和措施,解决了施工中的大量技术难题,工程施工质量满足了设计要求,实现了工程建设的质量、安全和工期目标。项目结合工程实际采取的施工方法和措施节约了工程成本,取得了十分显著的经济效益和社会效益。工程所取得的研究成果和施工经验,为类似的工程建设提供了示范作用,具有很好的推广价值。     

多面体形态空间结构的设计

工程中的多面体包括5种正多面体和13种半正则多面体，它们都能内接在一个球面内，形态各异且都具有棱长相等、多面角相等的特征。本在研究总结各种多面体几何性质的基础上，用CAD技术建构了几种多面体结构，提出了多面体结构用于空间结构的几种结构型式，并指出了各种型式的特点。     

国家游泳中心“水立方”结构设计优化

国家游泳中心“水立方”的墙体和屋盖结构创造性地采用了新型多面体空间刚架结构体系,该结构的弦杆选用矩形钢管、腹杆选用圆钢管,节点为焊接球节点。虽然结构的构成类似网架结构,但结构构件的受力状况完全不同于网架结构的二力杆,而表现为类似空腹网架的刚接梁。杆件内力包含弯矩、轴力、剪力、扭矩,弯曲应力大于轴向应力,所以结构的优化较为复杂。本文结合具体的结构设计,全面介绍了结构设计计算中的优化内容,包括:“强墙弱盖”优化,墙体杆件和屋盖杆件选用不同应力水平控制;截面类型优化,放弃加劲肋截面而改用紧凑型截面,充分发挥截面塑性,提高结构延性;几何构成“杂交”优化,将屋盖下弦贯通内墙,为减小屋盖与墙体交界处杆件过大的弯曲应力而附加少数腹杆,形成局部汇交力系;“铰接”优化,采用铰接计算处理策略,将少数弯曲应力较大无法满足规范要求的杆件两端处理为铰接,加强其周围相关杆件,再刚接迭代计算,较好满足承载力要求;“强节点弱杆件”优化,提高结构延     

混凝土三维多面体骨料细观数值模型研究

为了揭示混凝土的损伤破坏机理,利用Ansys软件的参数化设计语言,建立了基于混凝土细观结构的三维多面体骨料数值模型,该模型由任意三角形基向空间拓展为多面体骨料,采用蒙特卡洛法将骨料向混凝土区域投放,并进行冲突判断,最后对骨料、砂浆、界面等各细观项进行网格划分及材料参数赋值,比球形骨料模型更能真实反映混凝土的骨料形态,且网格划分精度满足分析要求。     

活性激发时粉煤灰硅氧、铝氧多面体结构的变化

采用固相核磁共振(29Si-NMR,27Al-NMR)技术,探讨了粉煤灰在激发剂作用下的激发机理,结果表明:激发剂使得粉煤灰玻璃体中硅氧多面体网络结构由集中的高聚态向分散的低聚态转变,水化产物出现较多的组群状硅氧结构体;激发剂在早期破坏了粉煤灰玻璃体中的铝氧八面体结构和部分四面体结构,使其网络结构间键合断裂生成较多的小分子铝氧多面体结构,从而提高了粉煤灰的早期活性.     

我国首次采用的空间结构新形式

<正>2007年建成的北京奥运会"水立方"游泳馆采用由14面体、12面体棱边及与多面体切割线组成的多面体空间刚架结构,墙面和屋面的平均用钢指标为100kg/m2。2008年建成的北京奥运"鸟巢"体育场采用椭圆形平面290m×340m,由平面桁架系与内环相切布置的两向交叉(微弯型)网架,支承在24根立体     

大跨度空间钢结构施工技术研究

首先阐述了大型空间钢结构的特点,以及施工过程中应重点考虑的问题和众多施工方法的合理选用。然后以国家游泳中心“水立方”、广东科学中心、国家羽毛球馆3个工程为例,阐述施工过程中技术问题的解决方法。     

Study on manufacture of container heads by two-step hydro-bulging of single-curvature polyhedron

Container heads are indispensable components of pressure vessels, which have a wide application in industry. The traditional method for manufacturing a large size container head is to form double-curvature petals and polar shell plates, then assemble and weld them into a container head, which needs large size dies and heavy presses. This paper presents a two-step hydro-bulging method for the manufacture of ellipsoidal container heads. The method involves formation of a single-curvature sector shell, which is assembled and welded into an enclosed tubular polyhedron, then the cylindrical and transition zones are formed through the primary hydro-bulging. Next, the polar zone is formed through the secondary hydro-bulging of the container head. Finally, the shell is cut to reveal the container heads. This paper also describes hydro-bulging experiments of a tubular polyhedron and an enclosed shell obtained from the tubular polyhedron. The results show that the two-step hydro-bulging technology of the single-curvature polyhedron can be used to manufacture large container heads without using large size dies and heavy presses.     

任意凸多面体间断有限单元法

对弹性力学问题,提出一种任意凸多面体间断有限单元法.用间断分片可微的函数来近似未知位移场.单元之间位移场的连续性要求是用罚函数来实现的,其中的罚数具有明确的几何意义,并可按对解的精度要求预先估计出大小.最后用数值算例验证了所提出的方法及有关结论.     

混凝土随机多面体骨料模型的生成方法

为三维混凝土细观力学行为研究提供一种简便有效的混凝土骨料的生成方法,通过对椭球体的方程进行改造,在其中加入三个随机变量和两个控制参数,从而将其变为不规则多面体以模拟混凝土骨料。采用两个参数对骨料的不规则性进行控制,同时利用椭球体的性质对骨料的外形及尖锐程度进行控制。通过投放实例表明提出的多面体骨料模型能够模拟实际工程中各种级配的混凝土骨料,并通过混凝土三相模型的材料不均质计算说明了该算法的有效性。     

张力集成单元的形态判定

本对几何多面体的类型、多面体与张力集成单元的关联性进行了系统研究,运用一般体系结构几何稳定性的数定方法「１」判定了几种常用的张力几何体单元,从中找到了几种基本的可刚化的张力集成单元。在此基础上,给出了张力集成单元的几点构造准则。