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。     

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.     

北京奥运国家游泳中心结构初步设计简介

中标的北京奥运国家游泳中心成功创造性地采用了由气泡理论衍生的新颖合理的多面体空间刚架结构。本文介绍了这一新型多面体空间刚架结构的构成、性能及其有待深化研究的主要课题。同时简要介绍了该工程整体结构体系的构成、计算分析、基础、ETFE充气枕、钢结构抗火设计、施工方法等有关内容。     

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。     

柱面Kelvin多面体空间网壳的承载力和稳定性能研究

Kelvin多面体空间刚架是一种新型的空间结构形式。首先采用弯曲起拱方式建立了柱面Kelvin多面体网壳模型;接着研究了切割面位置、边界条件、旋转角度和荷载分布对网壳静力承载力的影响;最后分别采用几何非线性和双非线性方法,研究了不同工况下网壳的稳定承载性能。结果表明:相同工况下,旋转60°时网壳相比未旋转时的轴力减小、弯矩变化不大,两侧边支承时网壳相比四角点支承时的轴力增大、弯矩较小;柱面Kelvin网壳以局部屈曲模态为主,几何非线性分析时的荷载-位移曲线基本呈线性增长,双非线性分析时在最大竖向位移为0.2m时即已出现显著的非线性特征;双非线性分析时,荷载-位移曲线开始出现计算不收敛时对应的荷载作为屈曲极限荷载。     

张力集成单元的几何(上)

本文作者研究了张力集成体系基本构成的多面体几何，探讨了多面体几何与张力集成单元之间的关系、多面体几何与结构的关联性问题，对张力集成单元的构造形式及张力集成单元的刚化条件进行了研究。同时对基本的张力集成体系的单元进行了分类，并给出了可用于工程结构的张力集成单元的构造准则。     

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     

一类空间可展桁架结构的几何协调性分析

提出了一种空间可展桁架结构,它由六面体基本单元组成,这种空间可展桁架结构的空间几何关系在展开和收拢状态时比较复杂,文中详细分析了它的几何协调性,并给出了可伸缩杆件的位置和长度计算的方式,并根据这种可展桁架结构的构成原理,设计和制作了一个切割旋转抛物面可展桁架结构模型,给出了它的几何协调性分析结果.     

组合多面体空间网壳结构拓扑分析

为构建节点及杆件类型少、可快速搭建的单层球面网壳结构,将正十二面体的12个面心与正二十面体的12个顶点同心贯穿得到三十二面体。以三十二面体构成方法为基础,分析其基元特征,根据拓扑学和空间几何理论,沿三十二面体基元五边形边和节点拓扑展开后,过平面基元向其外接球面进行拓扑映射变换,即可得到由12个正五边形和若干正六边形组成的三十二面体变体,以及从中引出的新型组合多面体网壳结构。对其进行了空间计算和节点、杆件类型分析,并采用Unigraphics NX软件进行节点座、杆件以及连接件设计和三维可视化装配。研究表明:与传统肋环型网壳结构相比,本文中提出的组合多面体网壳结构节点、杆件类型少,经工厂预制后可快速构建不同跨度的空间网壳结构。     

张力集成单元的几何(下)

本作研究了张力集成体系基本构成的多面体几何，探讨了多面体几何与张力集成单元之间的关系、多面体几何与结构的关联性问题，对张力集成单元的构造形式及张力集成单元的刚化条件进行了研究，同时对基本的张力集成体系的单元进行了分类，并给出了可用于工程结构的张力集成单元的构造准则。     

框架结构整体承载力优化设计的改进方法

为解决框架结构整体承载力优化设计方面存在的问题,建立了多内力组合下矩形和工字形截面几何参数的调整方法,并通过引入强化迭代系数提出了框架结构整体承载力优化设计的改进方法。首先,通过弹性模量缩减法分析框架结构在组合内力下的损伤演化过程,据此确定框架结构在构件和整体2个层面的承载力需求。然后提出了强化迭代系数并确定了其取值,据此调整构件截面强度,建立了结构整体承载力优化设计的加速迭代格式,其可保证框架结构在构件和整体2个层面上的安全性需求并优化结构耗材。同时,为实现截面强度调整在结构计算模型中的更新,建立了多内力组合作用下矩形和工字形截面几何参数调整公式,可根据截面强度调整需求进行截面几何参数的调整。最后,通过与满应力优化准则法对比分析验证了所提方法的合理性。结果表明:采用构件截面几何参数调整方法和加速迭代格式,强化迭代系数取1.001～1.020时,所提方法迭代收敛速度快,且能够获得承载性能和经济性能均优的框架优化设计方案。     

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。     

大跨度索杆张力结构的预应力分布计算

针对多自应力模态与机构位移模态索杆张力结构可行预应力分布求解的最复杂情形,为得到一种具有一定普遍意义的预应力优化求解策略,以该结构体系的一种新形式——大跨度环形平面空间索桁张力结构为基础,考虑其几何拓扑形式多样的特点,应用结构平衡矩阵理论与代数奇异值分解算法,通过对结构模态矩阵的分解变换及其组合运算,提出了一种可依据结构预应力分布的不同优化目标进行求解的新方法——目标选择优化法,使多自应力模态索杆张力结构体系的可行预应力分布求解工作得以便捷的实现。在此基础上,对大跨度索杆张力结构的预应力分布计算方法分三类进行了较为全面的总结;通过三种不同形式新型空间索杆张力结构的可行预应力分布求解算例,验证了上述计算方法的简捷与有效。     

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     

基于刚体准则的空间框架弹塑性非线性分析方法

基于刚体准则,采用二阶改进塑性铰模型,构建了空间弹塑性梁单元及其弹塑性刚度矩阵,建立了高效简洁的非线性增量迭代方法,可有效分析截面屈服产生的有限转动、二阶效应等柔性空间钢框架结构材料与几何非线性耦合效应。对于受初始力平衡的单元,随着单元的刚体转动与移动,其初始平衡力在当前状态下应保持大小不变,仅方向随单元做刚体转动,而实际结构的变形可以视为较大的刚体位移与较小的自然变形(弹性或非弹性)的组合。将此刚体准则植入增量迭代法,在预测阶段采用通过了刚体运动检验的弹塑性矩阵,从而合理确定迭代初始方向;在修正阶段使用刚体准则计算单元结点力,保证了计算精度。对三个典型柔性框架结构所做分析表明,本文方法能够准确预测结构的极限承载力值与塑性铰发展过程。对于空间框架结构,每根杆件仅需划分一个单元,极大提高了计算效率、降低了计算成本。与塑性区法、纤维元法以及考虑截面翘曲的修正切线刚度法等相比,本文提出的方法具有物理概念明确、单元划分少、刚度矩阵简单、分析过程简洁、计算精度与效率高等显著特点,适于工程应用。     

结构力流分析与传力效率评估研究

为研究荷载在结构内部的传递机理,实现对结构传力效率的定量评估,以薄壳结构为研究对象,提出了结构力流分析方法和传力效率评估方法。基于现有结构力流分析方法,针对薄壳结构的几何形态及受力特点,以平面传力路径法为基础推导了空间传力路径计算公式,并引入弯曲应变能比来反映薄壳面外弯矩的影响,建立了适用于薄壳结构力流分析的改进传力路径法。在此基础上,综合考虑力流长度和传力形式两方面因素,提出了等效力流长度的概念,定义了无量纲化的结构传力效率系数,解决了薄壳结构传力效率难以定量分析的难题。通过对典型薄壳结构的力流分析与传力效率评估,验证了所提方法的适用性和有效性,分析了结构几何参数、荷载作用形式以及边界条件等因素对结构传力效率的影响。研究结果表明：改进的结构力流分析方法能够从整体上揭示结构的工作机理,增进了对结构工作性能的本质认识,有助于从整体上优化结构设计;基于传力效率系数的结构传力效率评估符合结构概念,是一种有效的结构评估手段。     

钢雨篷的空间结构作用效应分析

介绍了大悬臂钢雨篷的空间作用效应,通过与平面框架模型进行比较,得到其空间作用系数,并与简支结构形式的空间作用系数比较,分析了不同结构体系之间的空间作用效应的差异,指出大悬臂结构空间作用效应明显,此类大悬臂结构应采用空间计算模型进行设计。     

Fast Volume Rendering and Cutting for Finite Element Model

Based on the incremental slicing, a direct volume rendering algorithm for finite element meshes is proposed. To improve the algorithm efficiency, the element compensation method and sliced polygon forming method are presented. The image quality is improved greatly by the hybrid rendering of both the volume data and geometric surfaces. We also integrate a volume cutting method with arbitrary convex polyhedron into the volume rendering pipeline. This offers the user more flexibility to explore the data distribution inside structures.     

张拉成形曲面的应力松弛分析

对膜结构施工中由裁剪片拼接张拉形成的膜面进行应力松弛分析,考察膜面应力随时间逐渐减小的变化规律。考虑膜材材料和几何双重非线性,采用广义Maxwell黏弹性模型建立积分型本构方程,推导增量本构方程,编制非线性有限元程序实现成形曲面的应力松弛数值分析过程。对聚氯乙烯 (PVC)膜材进行了不同初始应力水平下的单轴应力松弛试验和不同应力比下的双轴应力松弛试验,用5单元的广义Maxwell黏弹性模型对试验数据拟合,确定了膜材本构方程的黏弹性参数。进行十字形膜片的加载及应力松弛试验,对其试验过程进行数值分析,结果表明试验结果与数值分析结果基本一致,验证了成形曲面黏弹性数值分析方法的可行性。对PVC膜材马鞍形曲面算例进行黏弹性分析,结果表明,马鞍形曲面在张拉完成4 d后,膜面平均应力降低了44%。