多整体自应力模态索穹顶结构优化设计

基于结构整体可行性和对称性、两次奇异值分解提出了一种求解各种索穹顶结构整体自应力模态的新方法。分析发现,Kiewitt型索穹顶结构具有多个独立的、但没能满足整体可行性要求的整体自应力模态。以初始应变能最小为预应力优化目标和重量最轻为截面优化目标进行了优化设计,获得了合理的初始预应力分布和截面大小。Kiewitt型索穹顶结构算例表明了预应力优化及截面优化模型的有效性和正确性。     

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     

索穹顶结构全面优化设计方法的研究

通过线性规划、齿形片、模态搜索及一维搜索片的联合应用,提出了索穹顶结构的预应力、截面、矢高、圈数同时优化设计的方法,优化效果明显。可在优化的过程中完成对索穹顶结构的设计。编制了索穹顶结构优化设计的计算程序,并进行了算例分析。     

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.     

索拉穹顶结构动力特性分析

索拉穹顶是一种新型大跨空间结构,比较了索拉穹顶和普通穹顶的自振频率及其对应的振型且较详细地讨论了这种新型结构的动力特性。然后,计算了各种参数(长跨比、矢跨比、索截面、索初始预应力、钢杆件截面)对索拉穹顶动力特性的影响。计算结果显示:索拉穹顶的动力特性优于普通穹顶;索拉穹顶的自振频率随矢跨比的增大,先增大后减小,随钢杆件截面、索截面的增大而增大;索的初始预应力对索拉穹顶的动力特性影响很大。     

索穹顶结构张拉找形与承载全过程仿真分析

索穹顶结构的预应力张拉过程是几何体系由机构变成结构的过程。首先,从预应力施工张拉方式实现既定结构成形态、确定结构成形态满足正常使用和安全要求、优化预应力度选定合理结构成形态三个方面,应用重启动计算分析方法,对索穹顶结构进行预应力张拉找形及承载全过程仿真分析。分析表明,采用不同的预应力张拉方式可以达到相同的既定成形态,这为制定预应力张拉施工方案创造了灵活的技术空间。其次,通过对索穹顶结构在不同预应力度下承载全过程仿真分析,得出工程采用的预应力度是安全合理的,并提出结构设计各阶段体系弹塑性性能指标。最后,针对不同跨度索穹顶结构,通过确定结构初始几何形态的初始预应力度P0,以P0为基本模数分析不同预应力度下结构的弹塑性性能,得出索穹顶结构初始预应力为（7.5～10）P0的设计方法。以上研究方法和结论在我国大陆地区首座大跨度索穹顶结构工程--内蒙古伊旗全民健身体育中心工程中实现应用。     

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.     

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。     

一种由索穹顶与单层网壳组合的空间结构及其受力性能研究

提出了一种由索穹顶与单层网壳组合的空间结构形式,该结构不仅充分利用了索穹顶的受力特性,而且发挥了单层网壳便于铺设刚性屋面板的优势。给出了葵花型、肋环型、Kiewitt型、鸟巢型4种索穹顶结构与相应网格布置的单层网壳的组合结构形式,结构顶部可采用封闭和开口两种形式。定义了索穹顶与单层网壳之间连接杆的荷载传递系数、索穹顶和单层网壳的支座竖向反力分配系数。以葵花型索穹顶与单层网壳的组合结构为例,探讨了结构在均布荷载和集中荷载作用下的受力性能以及结构的矢跨比、预应力水平、网壳杆件截面等参数对结构受力性能的影响。计算结果表明,外荷载越小、矢跨比越小、预应力水平越大和网壳杆件截面越小,索穹顶承担的外荷载比例越大。     

索穹顶结构预应力多目标优化的小生境遗传算法

根据索穹顶结构的柔性结构特点和力学特性,探索以质量最小、刚度最大和支座反力最小为目标函数,以预应力整体可行性准则、荷载态应力控制和位移限值为约束条件的多目标优化模型。结合自适应技术、预选择机制和共享函数小生境技术对传统遗传算法进行改进,利用加权系数法将多目标优化问题转换为单目标Pareto最优解问题。利用向量式有限元对不同预应力水平的结构进行静力分析。最后通过两个不同类型索穹顶算例,采用自编程序的计算结果证明所提出的方法是有效的,为索穹顶结构预应力优化分析提供了新的计算方法。     

葵花型索穹顶结构的多种施工张拉方法及其试验研究

施工张拉控制是索穹顶结构的关键技术之一,但是现有文献描述的施工方法往往过于复杂。为了促进索穹顶结构在实际工程中的成功应用,简化其施工过程非常必要。基于机构分析原理,本文以一直径为5m的葵花型索穹顶结构模型为研究对象,考察了索穹顶结构的三种施工张拉方法:张拉最外圈斜索成形法、张拉最外圈脊索成形法及张拉最外圈环索成形法。文中对上述三种施工方法进行了详细的试验研究,并将其与理论计算结果进行了对比分析,发现试验结果和理论分析吻合较好,证明了上述三种施工张拉方法是可行的。本文的试验研究有助于对该类结构的进一步研究和工程应用。     

Optimal design of Schwedler and ribbed domes via hybrid Big Bang-Big Crunch algorithm

An optimum topology design algorithm based on the hybrid Big Bang-Big Crunch optimization (HBB-BC) method is developed for the Schwedler and ribbed domes. A simple procedure is defined to determine the Schwedler and ribbed dome configuration. This procedure includes calculating the joint coordinates and element constructions. The nonlinear response of the dome is considered during the optimization process. The effect of diagonal members on the results is investigated and the optimum results of Schwedler domes obtained by the HBB-BC method demonstrate the efficiency of these domes to cover large areas without intermediate supports.     

基于结构优化的张弦立体桁架经济性分析

在截面面积和索力值优化设计的基础上,建立以最小造价为目标函数的优化模型,参考市面上各种钢管和钢绞线的报价,提出在考虑结构位移和杆件强度约束下计算钢管直径、厚度的最优造价优化法。最后分别对预应力张弦立体桁架和非预应力张弦立体桁架进行优化,通过算例分析得出预应力张弦立体桁架相对于非预应力张弦立体桁架在经济上的优越性。     

索穹顶结构体系创新研究

我国自2009年开始建有跨度20 m左右的索穹顶,至2016年已建成跨度超百米的索穹顶结构。但回顾国内外所建成的该类空间结构,均属于传统Fuller构想张拉整体类索穹顶。其上、下弦节点只有1根垂直于水平面的撑杆,形式比较单一,如肋环型索穹顶,上弦节点的环向水平刚度较差。为此,提出了Fuller构想单撑杆（不垂直于水平面）类索穹顶,有利于增加结构跨度。并进一步提出了非Fuller构想多撑杆（下弦节点可设置2根、3根、4根撑杆）类索穹顶。这不仅可改善结构传力性能,而且又能减少斜杆（斜索）和环索数量,方便施工张拉成形。若采用多种撑杆（包括单撑杆）且多种方式设置,当上弦选用径向布置时可归纳称之为肋环系列索穹顶,当上弦选用葵花布置时可归纳称之为葵花系列索穹顶。由肋环系列索穹顶和葵花系列索穹顶可构成多种组合形式索穹顶。研究丰富了索穹顶结构形式、体系和类型,为索穹顶的设计和选型提供了新思路、新空间。     

独立基础优化设计及应用

在分析目前常规设计存在的一些缺陷基础上,给出一种独立基础优化设计新方法,有效地解决了现行规范存在的诸如强度和变形影响无法同时考虑等问题。导出了偏心荷载作用下的独立基础底面尺寸设计及独立基础设计的优化数学模型,并编制了求其优化解的复合形法和罚函数法的最优化算法程序及独立基础设计绘图程序。通过算例分析表明,将最优化方法用于基础设计会交大的经济效益。     

Database for the optimum design of semi-fan composite cable-stayed bridges based on genetic algorithms

The optimum design solution of cable-stayed bridges is a complicated task. The large number of design parameters, strict design constraints imposed by design codes, highly geometrically nonlinear behaviour and robust effect of post-tensioning cable forces make traditional design methods not capable of achieving this task. In this study, an optimisation technique that integrates a finite element model, a genetic algorithm and polynomial functions for evaluating post-tensioning cable forces is adopted to develop a database for the optimum design of cable-stayed bridges. The database describes the variations of the optimum design parameters, including the main span length, height of the pylon, number of stay cables and cross-sectional dimensions of all elements with the total length of the bridge. The study concerns the optimisation of three-span composite cable-stayed bridges with semi-fan cable arrangements. The study covers bridge lengths ranging from 250 to 700 m. The database is presented in the form of simple design charts and tables. Such database is useful in the preliminary design and cost estimation for this type of bridges.     

拉线铁塔的优化设计

针对拉线铁塔的结构特点 ,建立了结构优化设计模型 ,把离散变量优化方法与结构有限元法相结合 ,完成拉线铁塔优化设计计算软件的研制。应用结果表明该软件具有较好的适应性和实用性 ,优化效果明显     

采用定长索设计的肋环型索穹顶结构索长误差影响的试验研究

在国内建成的肋环型索穹顶结构中,多采用调节索长以控制结构性状(力态与形态)的施工方法,而国外更多采用定长索设计与施工。定长索设计是将索头设计为不能调节长度的形式,通过精确设计和控制各索的制作长度,在现场直接张拉到位,不需要反复调节索长,节省人力物力。使用定长索设计与施工,需要首先了解张拉结构中不同索的索长误差对其整体结构预应力态和荷载态的影响,进而依据相关理论确定索长误差控制值。文中针对索长误差的敏感性,设计一个平面为矩形的肋环型索穹顶结构模型,通过试验研究初始索长误差对预应力态的影响,比较不同索的索长误差影响范围及大小的不同,并试验初始索长误差影响与预应力水平的关系。在此基础上,通过试验研究不同荷载工况下初始索长误差对结构荷载态的影响,并进行对比。最后,比较预应力态不同,初始索长误差发生位置不同时,初始索长误差对荷载态的影响。研究成果对索穹顶结构的设计与施工张拉有指导作用。     

抗震结构最优设防烈度的决策方法

提出了一种非常便于应用的与现行规范接轨的抗震结构设计优化方法方法，首先决策出该结构的最优设防烈度，然后按此烈度进行结构的最小造价设计或常规设计，在决策结构的最优设防烈度时，既考虑了结构的近期投资（造价）又考虑了它的长远效益（遇灾的损失期望）这是国际上早已提出了而长期未能解决的问题。     

力密度法在索穹顶形态确定中的应用

基于力密度法在索穹顶找形分析中的基本原理,应用MATLAB软件对给定初始形状的索穹顶进行初始预应力的计算,并引用整体可行性预应力的概念来简化计算。算例表明：该方法简单明了,计算出的结果精度高,满足要求。