施威德勒穹顶弹塑性稳定性能研究

通过有计划地对400余例实际尺寸的施威德勒型单层球面网壳进行双重非线性全过程分析,求得网壳的极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称以及考虑材料非线性等因素对网壳稳定性能的影响,较全面了解了施威德勒型单层球面网壳弹塑性稳定的规律性,为此类网壳结构的工程实践提供了理论依据和设计参考。并得出以下几点结论:(1)为保证网壳的安全性,网壳的极限承载力应由双重非线性全过程分析确定。(2)施威德勒穹顶属于缺陷敏感性结构。(3)竖向荷载不对称分布对网壳极限承载力影响较小。(4)工程设计中应适当考虑支承条件变化对网壳极限承载力的影响。     

索穹顶结构截面和预应力优化设计

针对索穹顶结构的优化设计现状，并从适合索穹顶结构工程应用的角度出发，本首先对选定截面情况下的预应力优化和选定预应力情况下的截面优化两种情况分别作了研究，然后采用分层优化法较有效地解决了截面尺寸与预应力同时优化的问题，得出了一些有用结论。     

凯威特型局部双层网壳结构特性分析

本探讨了凯威特型网壳局部双层形式的构成原则、几何特点,给出了五种典型的局部双层网壳形式,并对这些经 几何非线性受力特征、经济指标等进行了深入的分析,并与对应的单层和 双层网壳作了比较。根据分析结果,得出了一些具有实际应用价值的结论。     

大矢跨比局部双层球面网壳的形式及稳定性分析

首先比较了球面基本三角形网格的划分形式，最优网格划分法得到的网格三类型数量最少，最经济，提出了构造球面网壳局部双层形式的方法和五种具有工程应用价值的形式，采用几何非线性有限元理论，对几种网壳形式进行了深入的稳定分析，参数分析并与单层网壳的稳定特征进行了比较，本研究结果对实际工程有重要应用价值。     

单层球面网壳火灾爆炸动力响应

以K8型单层球面网壳为研究对象,考虑几何非线性和温度对材料性能的影响,完整模拟了单层球面网壳在发生火灾的不同阶段受到爆炸冲击作用时的动力性状。据B-R准则,通过爆炸峰值超压与结构动力特征响应之间的关系,可判定K8型单层球面网壳在不同火灾阶段,爆炸冲击作用下的动力稳定性临界峰值超压。分析了单层球面网壳的矢跨比、屋面荷载、约束布置等参数对其在不同火灾阶段的爆炸冲击动力稳定性的影响。研究表明:火灾对网壳结构在爆炸冲击作用下的动力稳定性有较大影响,当网壳杆件最高温度达500℃以上时,结构的抗爆能力明显降低。矢跨比、屋面质量、约束布置对网壳在火灾不同阶段的抗爆能力均有不同程度的影响。     

Comparative seismic design optimization of spatial steel dome structures through three recent metaheuristic algorithms

Steel dome structures, with their striking structural forms, take a place among the impressive and aesthetic load bearing systems featuring large internal spaces without internal columns. In this paper, the seismic design optimization of spatial steel dome structures is achieved through three recent metaheuristic algorithms that are water strider (WS), grey wolf (GW), and brain storm optimization (BSO). The structural elements of the domes are treated as design variables collected in member groups. The structural stress and stability limitations are enforced by ASD-AISC provisions. Also, the displacement restrictions are considered in design procedure. The metaheuristic algorithms are encoded in MATLAB interacting with SAP2000 for gathering structural reactions through open application programming interface (OAPI). The optimum spatial steel dome designs achieved by proposed WS, GW, and BSO algorithms are compared with respect to solution accuracy, convergence rates, and reliability, utilizing three real-size design examples for considering both the previously reported optimum design results obtained by classical metaheuristic algorithms and a gradient descent-based hyperband optimization (HBO) algorithm.     

单层球面网壳的优化分析

应用ANSYS软件优化模块,以自重最轻为目标函数,以强度、稳定性等为约束条件,并考虑了结构几何非线性的影响,对凯威特型单层球面网壳进行优化分析。然后对优化所得的网壳作了稳定性全过程分析,从而验证优化设计是可靠的。     

跨度800 m穹顶结构选型研究与相关问题

随着城市环境变化和现代工程技术发展,建造跨度1000 m级超大型城市穹顶以营造一个特定的区域小环境,逐渐成为现实需求。城市穹顶突破现有结构尺度极限,结构设计面临新的挑战。对城市穹顶的概念进行了探讨,以在寒冷地区建造一座跨度800 m城市穹顶为设定工程背景,对采用刚性结构、杂交结构、柔性结构以及组合结构等四大类结构体系共计13种结构方案进行选型研究。对比分析了结构刚度、稳定承载力和用钢量等指标,总结了跨度800 m各种结构方案性能特点,提出了可将K型角锥球面网壳、K型巨型网格结构以及索承网壳 双层网壳组合结构作为优选方案;并就超大跨度穹顶的建造与设计提出了材料轻质化、设计标准、抗风问题、温度场影响、结构形态学、建造可行性、围护结构、节能环保以及穹顶维护等9个方面的相关问题,以供进一步研究作为参考。     

K6型单层球面网壳的弹塑性稳定

本文有计划地对1200余例实际尺寸的K6型单层球面网壳进行了双重非线性全过程分析,求得了它们的极限承载力,系统地考察了初始缺陷和荷载不对称分布等因素对网壳性能的影响,并重点讨论了材料非线性对网壳极限承载力的影响.通过这种大规模参数分析研究,较全面了解了K6型单层球面网壳弹塑性稳定性能的规律,在此基础上对以往仅考虑几何非线性的网壳极限稳定承载力实用公式进行了修正.     

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。     

具有随机几何缺陷的大跨度单层球面网壳稳定性分析

网壳结构的稳定性是单层网壳结构设计中的关键问题。采用改进随机缺陷法对一大跨度K8型单层球面网壳进行随机缺陷稳定性分析,并研究非线性（几何非线性、材料非线性）、缺陷最大值等因素对单层网壳承载能力和临界荷载分布规律及其统计参数的影响。结果表明,单层球面网壳的临界荷载对曲面形状的安装偏差非常敏感,初始几何缺陷的影响非常大。缺陷最大值的增大将会使样本的最大值、最小值、均值及设计临界荷载显著下降,缺陷最大值对样本均方差的影响较复杂。材料非线性对大跨度单层球面网壳极限承载力的影响比较显著和复杂,对同一样本的影响有规律可循,但在不同样本之间没有必然的联系,在单层网壳结构设计中进行弹塑性稳定性分析是非常必要的。     

单层球面网壳失稳区域的平衡扰动

在非线性分析的基础上,基于单层网壳结构的失稳机理,对临界点时的失稳区域进行平衡扰动。具体利用奇异值分解法对失稳区域进行几何稳定性判定,并得到相应可能发生的机构位移模态,根据最小势能原理求出失稳后的几何形态,使其进入后屈曲平衡路径。本文的方法是基于网壳结构失稳时的不稳定运动进行的,较为合理地反映了结构失稳的过程,对网壳结构稳定分析方法的进一步研究具有重要意义。     

凯威特型索穹顶结构多种张拉成形方案模型试验研究

张拉成形技术属于索穹顶结构的关键技术。为分析比较各种张拉成形方案的施工可行性和方便性,同时深入理解预应力生成机理,对一凯威特型索穹顶结构模型进行了逐步张拉外圈斜索成形、一次性张拉外圈斜索成形及由外及里逐步调节压杆到原长成形等三种成形方案的张拉成形试验,跟踪了张拉成形全过程。试验研究表明：三种张拉成形方案都是可行有效的,其中一次性张拉外圈斜索成形方案施工较为方便;逐步调节压杆长度到原长成形方案精度相对较高;控制构件原长的张拉成形控制技术不仅适用于单整体自应力模态体系,也适用于多整体自应力模态体系;体系预应力伴随着构件的逐步张拉到位而逐步生成。     

上海松江新城交通枢纽暨购物中心钢结构穹顶风振分析

大跨度钢结构穹顶为风敏感结构,准确得到平均风荷载和风振力对工程设计非常重要.本文通过数值风洞模拟方法得到了各风向下穹顶结构的平均风压,尤其是给出了有效分析风激动力响应和等效风荷载的理论方法.通过分析松江新城钢结构穹顶的风振实例看出,对该工程风振影响最大的是整体水平与竖向运动的前八阶振型,动力部分大体占总响应的25%.本文为大跨度屋盖结构的风振分析提供了一种有效的计算方法.     

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     

混合型索穹顶结构体系的静动力性能研究

针对Geiger型和Levy型索穹顶结构存在的不足,提出几种混合型索穹顶结构形式,并采用二次奇异值分解法计算结构的初始预应力分布,进而分析比较几种索穹顶结构的静动力性能。分析结果表明：混合I型既可解决Levy型索穹顶结构中心杆件密集,节点设计难度大的问题,又具备其良好的静动力特性;混合Ⅲ型和混合Ⅳ型索穹顶结构的静动力力学性能优于Geiger型索穹顶,同时也不失Geiger型索穹顶构造简单,施工方便的特点。     

单层网壳结构的模糊决策分析

本文提出了单层网壳结构的模糊决策方法 ,其中决策模型的目标函数中不仅考虑了单层网壳结构的杆件费用和节点费用 ,而且还考虑了结构的维护费用以及遇到自然灾害时损失的期望值 ,另外在约束条件中考虑了强度、刚度、稳定等因素中存在的模糊信息 ,从而构成了单层网壳结构的模糊决策问题。在其模糊决策问题的求解过程中 ,分两个阶段进行求解。在第一阶段 ,以结构造价为目标函数 ,求解其模糊最小设计 ;而在第二阶段是在第一阶段中求出的模糊最小设计的基础上 ,进一步考虑结构的维护费用和损失期望值 ,求出单层网壳结构的最终模糊优化解。     

索穹顶(Cable Dome)结构的特性及分析

本文首先论述了索穹顶结构的特性和工作机理，根据结构的特点，提出了考虑单元非常应变特性的非线性五结点曲线铰接单元，在单元曲线坐标系中建立了单元的有限元基本方程及单元的刚度矩阵。数值分析结果表明，本文提出的分析模型，理论是正确的，采用的计算方法是有效的，并具有很高的精度，可作为设计索穹顶结构的基础理论和方法，应用于索穹顶结构的形态分析和非线性分析。     

葵花型索穹顶初始预应力分布的简捷计算法

葵花型索穹顶是美国工程师LEVY和JING在GEIGER设计的肋环型索穹顶基础上开发的一种新型穹顶,并应用于1996年亚特兰大奥运会主赛馆的屋盖结构———乔治亚穹顶。由于索穹顶结构的刚度由预应力提供,根据结构初始几何形状、构件的关联关系(拓扑)确定形成一定刚度的初始预应力是索穹顶设计首先要解决的问题。本文针对葵花型索穹顶结构提出了确定初始预应力分布的简捷计算法。该法从节点平衡关系入手,推导了不设和设有内环的葵花型索穹顶预应力杆内力一般性的计算公式。对特定参数的索穹顶结构还给出了内力计算用表。计算结果表明,随矢跨比增加,葵花型索穹顶的脊索、斜索和环索内力减小,竖杆内力增加;对应相同矢跨比,设有内环的葵花型索穹顶结构各类相应杆件内力比不设内环的内力小得多。     

Structural behavior and design methods of Tensegrity domes

A comprehensive study on the structural behavior and structural types of Tensegrity domes is presented. The numerical analysis method of Tensegrity structure is also discussed. The first Tensegrity dome-Georgia Dome is analyzed as a prototype through a non-linear software using the numerical method presented in the paper. Based on the analysis, the structural behavior of the Tensegrity dome is summarized and therefore, some design methods for the Tensegrity dome are proposed. Based on the above studies, several new types of Tensegrity domes with different geometric grids are proposed by the author. A comparison of the structural behavior between the Georgia Dome and the domes proposed by the author is also made.