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风雨不动安如山:大跨空间结构受力研究

发布时间:2018-10-23 阅读数:359

浙江自古以来就是台风灾害、洪潮灾害以及雨雪灾害多发地区,具有频率高、强度大、灾害损失严重等的特点。因此台风风暴、洪潮以及雨雪所造成的经济损失也是浙江省各类自然灾害中排名靠前的。浙江省经济发达,大跨空间结构应用广泛。但近年来台风、暴雪等恶劣天气灾害导致的大跨空间结构破坏时有发生,因此研究恶劣天气环境下大跨空间结构的力学性能和失效机理具有重要的社会意义和科学意义。

袁行飞,教授,博士生导师,自1995年始从事空间结构研究工作,对索穹顶等新型索杆张力结构的体系开发、计算分析理论、结构优化控制等方面进行了系统研究。近年来也对结构在各种交叉领域如建筑节能、可再生能源利用中的相关理论和应用进行了有益探索。先后负责国家自然科学基金项目四项,主要研究方向是:空间网格结构,预应力空间结构,索杆张力结构,索穹顶结构以及结构分析基础理论和设计技术。

20141月,袁行飞担任浙江省自然科学基金重点项目"恶劣天气环境下大跨空间结构失效机理研究"的项目负责人,该项目于201712月顺利完成了结题验收。项目从荷载、构件、结构三个层次对大跨空间结构在恶劣天气环境下的失效机理进行了研究。建立了台风和风致积雪计算模型,得到了结构在台风风场下的平均风压系数和各点风速时程,推导了屋盖风致积雪分布系数计算公式。建立了拉索和压杆精确力学分析模型,推导了适用于向量式有限元的精细梁单元弹塑性分析计算公式。对大跨空间结构倒塌全过程中的接触、碰撞、断裂等不连续行为进行了研究。将冗余度理论应用于空间结构的失效分析,基于局部构件失效后结构的冗余度分布评价构件重要性。开发了包含前处理模块、计算分析模块和后处理模块在内的索杆张力结构倒塌分析程序,对空间结构受力全过程进行了仿真分析,研究了索穹顶结构和弦支穹顶结构在不同荷载作用、局部索破断情况下结构的破坏模式及失效机理。对台风作用下网壳结构和弦支穹顶结构的动力失效全过程进行了模拟,分析了灾害雪作用下单坡屋盖的力学性能和膜结构袋状效应发展过程。

 

建立拉索和压杆精确力学分析模型

 

拉索和压杆是大跨结构中常用的两种构件,压杆由实心或空心钢材制成,主要承受压力。拉索由索材制成,主要承受拉力。由于索材的强度比钢材强了好几倍,所以拉索截面相比钢构件来说小了很多,自重也轻了很多,所以在很多的大跨建筑、桥梁之中都可以看到索材料的运用。   

在袁行飞老师的课题研究中,就建立了钢拉索静力拉伸模型,考察了钢绞线外层钢丝螺旋角变化时,钢绞线总轴力、弹性模量、抗弯刚度等参数的变化规律及截面应力分布规律,引入截面应力修正系数对截面平均应力进行修正。对大跨空间结构中常用的两类索支撑压杆——两端索支撑压杆和一端刚性杆支撑一端索支撑压杆进行了非线性有限元分析,探讨了支撑索不同初始预应力、初始缺陷和支撑杆不同刚度对压杆及索杆单元稳定性的影响。推导了适用于向量式有限元的精细梁单元弹性应变和内力计算公式,并利用高斯积分法进行精细梁单元塑性分析,对平截面假定进行了修正。上述构件精确力学分析模型的建立为实现大跨结构受力分析打下了基础。

 

恶劣天气下的屋盖研究

 

袁行飞老师回顾了大跨空间结构研究的发展历程说:“常规荷载下的大跨空间结构受力分析已经持续了很多年,在我这个课题里,主要突出的是恶劣天下环境下的大跨空间结构受力研究。一般的设计师都能够考虑到风和日丽情况下的建筑该怎么设计,但是像台风、暴风雪、冰霜结冰、强降雨这些突发性的恶劣天气,常规的设计师就很难考虑到。”

就拿台风为例,袁行飞团队的项目研究就基于 Yan Meng 台风模型,确定了影响台风风场的关键参数,拟合得到了台风平均风剖面指数。用 FLUENT 软件数值模拟了常规风场和台风风场,得到了两种风场下球面网壳平均风压系数。采用谐波合成法,用 MATLAB 模拟了球面网壳结构在常规风场和台风风场下表面各点的风速时程。

除了研究台风模型之外,项目也研究了大跨屋盖风雪作用的机理和数值模拟方法。采用风雪单向耦合及单方程雪相模型方法对典型球壳屋盖结构进行风致积雪分析。通过改变风速和矢跨比分别研究屋盖表面积雪侵蚀沉积量随风速及矢跨比变化的关系。拟合了球壳屋盖表面积雪侵蚀量随风速和矢跨比变化的近似公式,并得出球壳屋盖表面雪荷载不均匀分布系数计算公式,方便结构工程师直接应用。

对膜结构来说,荷载的不均匀分布即局部荷载极易导致袋状效应的出现。如下雪天气,当局部堆积的积雪厚度超过膜面正常承受范围时,会使膜面产生局部凹陷。凹陷的曲面会引起周围更多积雪的滑落,从而不断加剧结构的凹陷变形,引发袋状效应。又如强降雨天气时,在强降雨的持续作用下,汇集到凹陷内的雨水越来越多,膜面变形和应力增大速度越来越快,短时间内可因膜面撕裂而破坏,非常危险。项目对膜结构在雪荷载及强降雨荷载作用下的袋状效应进行了模拟分析。“浙江台风、雨雪天气较多,如果设计有瑕疵的话,膜结构会碰到流水或者积雪不通畅的情况,它的凹面就会像布袋一样越来越大、越来越大,最终破坏。所以我们立项时,既要考虑项目的新意,同时也要考虑应用过程中可能遇到的问题。”

对典型大跨空间结构考虑风致漂移的雪荷载不均匀分布进行的数值模拟以及提出的屋盖风致积雪分布系数计算公式等研究,补充和完善了我国现行建筑荷载规范中的雪荷载相关条例,为准确、安全地确定恶劣天气灾害荷载提供了依据。

 

研究大跨空间结构倒塌的不连续行为

 

计划赶不上变化,虽然材料已经进行了严格的筛选和设计,但是理论和现实总有差异,实验室里也不可能真的模拟出现实中才有的恶劣天气,当真的发生事故时,该如何降低损失?袁行飞老师的团队还对大跨空间结构倒塌全过程中的不连续行为进行了研究,建立了杆单元、索单元和梁单元的断裂准则和断裂模式,推导了杆件运动中的接触和碰撞模型。认识到结构的超静定数能反映结构整体冗余程度,袁行飞团队将冗余度进一步扩展到构件层面,发展了针对单元的冗余度概念和计算方法。针对铰接杆系结构,提出了一种定量评价铰接杆系结构构件重要性的方法。所谓的冗余度,就是容错率,就算建筑的构建出现了一些瑕疵时,也能够维持建筑整体发挥出正常的功能。对结构冗余度的发展,能够为建筑的安全性再加上一道保险带。

 

                        

                                  师生讨论                                                        结构模型

 

总结

 

袁行飞团队所进行的一系列研究可为浙江省大跨空间结构的安全设计和防灾减灾提供理论依据和技术支持。

袁行飞老师饱含深情地说:“我们的大跨空间结构主要是用于公共建筑以及一些重要的标志性建筑,比如说,体育馆,然后就是一些交通枢纽,比如车站、机场这种,这些建筑的体量较大,几千几万人在里面,其安全性就非常重要。” 

大跨空间结构的设计与建造综合体现了一个国家的基础理论、应用技术、材料科学、建造设计施工等诸方面的水平,由于多用于大型公共建筑,这类结构关系国计民生,投资巨大,一旦倒塌会给社会生产和人民生命安全带来重大损失,同时也会造成较坏的社会影响,因此,确保此类结构的安全意义重大。袁行飞老师团队所进行的项目研究工作,对于保障国民生产、生活安全,维护社会齿轮平稳正常运行,有着重大的意义。

 

               (作者:高天峰   通讯员:周丽敏 )

 

 

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