ISSN 1000-6869 CN 11-1931/TU
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。
内蒙古伊旗全民健身体育中心屋盖结构中部采用索穹顶结构体系，跨度71.2m，为我国大陆地区首座大跨度索穹顶结构。首先建立结构有限元模型，分析在各设计荷载组合工况作用下索穹顶结构弹性阶段的受力特点，得出不均匀荷载对索穹顶结构更为不利。其次通过对结构体系的动力特性分析，得出索穹顶结构扭转刚度较弱，覆膜可有效地提高索穹顶整体结构的扭转刚度。重点对索穹顶结构体系进行弹塑性全过程分析，分析结构几何参数对结构力学性能的影响，得出索穹顶结构在承载全过程中经历的三个受力阶段:脊索松弛阶段、环索进入弹塑性阶段和结构破坏阶段。提出基于性能的索穹顶结构体系设计方法，并提出各阶段相应的变形性能指标和承载力控制指标。
索穹顶结构既可以通过对所有拉索施加预应力完成对结构预应力的施加，也可以通过对部分拉索施加预应力，其他拉索被动受力达到整个结构被赋予预应力，根据索穹顶结构预应力施加的不同方法，探讨索穹顶结构预应力成形过程。采用不同的预应力施加方法对结构进行全过程仿真分析，表明结构的最终内力和位形与预应力施加方法无关。结合内蒙古伊旗全民健身体育中心索穹顶实际工程，制作了1∶4的试验模型，按照地面组装、分步提升、整体张拉的思路，采用ANSYS数值模拟对成形过程进行了全过程仿真分析，对索穹顶张拉成形方法进行验证。通过在模型试验过程中合理布置拉力传感器对结构从拼装到成形的全过程进行内力跟踪监测，监测结果与仿真分析结果吻合较好，从试验模型的内力变化曲线可找到内脊索开始受力即为结构由机构转变为结构的转折点。
根据内蒙古伊旗全民健身体育中心工程设计的需要，对大跨度索穹顶结构进行抗火性能分析。以温度-结构耦合为基本方法，基于大空间空气升温模型，考虑高温下材料的非线性，分析了结构在不同火灾工况下的响应，得到火灾下索穹顶结构变形、节点位移、杆件预应力损失的基本规律。研究表明：肋环型索穹顶结构侧向刚度较弱，对偏心火灾敏感，火灾下的挠度超限和侧向变形是导致结构失效和非结构构件提前破坏的主要原因；脊索尤其内脊索是火灾下预应力损失较为严重的杆件，中撑杆侧向位移控制是肋环形索穹顶结构抗火设计的重点。针对肋环形索穹顶结构侧向刚度较弱的缺点，在中撑杆上节点部位加设一道环向杆件进行结构体系的改进，可使结构的抗火性能得到较大改善。
根据鄂尔多斯伊旗全民健身体育中心大跨度索穹顶结构设计要求，采用有限元分析方法，分析了初始预应力和温度共同作用下节点位移和预应力索应力变化情况，研究了初始预应力对温度效应的影响，探讨合理张拉温度以及由于温度作用对初始预应力采取的适当补偿措施。研究表明：温度作用对索穹顶结构外圈索和外圈撑杆的应力产生不可忽视的影响，在设计张拉预应力度时，既要考虑施工张拉温度与下料温度不同的影响，又要保证正常使用状态下结构在温度作用下的安全；温度作用下预应力度对索穹顶结构静力性能的影响显著。
索穹顶结构的刚度是由索系预应力实现的，预应力损失对结构的安全性具有重要影响，而环索与撑杆相连的索撑节点设计与施工是保证环索实现预应力有效传递的关键技术。以内蒙古伊旗全民健身体育中心大跨度索穹顶结构工程为背景，研发了引入滑动轴承的新型索撑节点，从本质上改变了节点的受力特性，从而减小摩擦损失。通过分析索撑节点的几何构造，对预应力摩擦损失的计算方法进行研究。采用ANSYS对环索和索撑节点进行带摩擦的非线性接触有限元分析，通过模型试验监测数据反算预应力损失，将设计计算结果与实测数据分析结果进行对比。根据研究结果对索穹顶的索撑节点提出如下建议:索撑节点的加工制作应采用精密加工，确保节点几何尺寸严格满足设计要求;在保证加工制作精度和施工质量的情况下，索撑节点预应力损失设计取值为3%~4%。
以内蒙古伊旗全民健身体育中心工程为研究对象，设计制作了1∶10缩尺肋环型索穹顶结构试验模型，研究了模型结构张拉成形后在设计荷载作用下的力学性能，将ANSYS数值模拟加载和模型加载结果进行了对比分析，获得了模型静力响应的变化规律及活荷载不对称分布对结构整体静力性能的影响。研究表明：索穹顶结构在外荷载作用下，脊索存在应力减小的现象；结构可随荷载的变化不断调整预应力的分布状态；作为柔性空间体系，对非对称荷载作用十分敏感；结构在设计荷载作用下， 结构构件均处于安全的工作范围内；数值模拟结果与试验值吻合较好，验证了数值模拟的正确性和结构设计的合理性。
内蒙古伊旗全民健身体育中心屋顶采用大跨度索穹顶结构，其施工精确模拟难度较大。针对工程施工方案，采用机械多刚体系统动力学分析方法，实现了对索穹顶结构整个施工过程的动态模拟。该施工模拟技术的特点是能获得在整个仿真时间段内所有构件的位置、速度、方位和内力值随着时间的连续变化曲线，即每一时刻整个结构体系的形状和预应力分布，可以检验是否有力学指标突变或机构锁死的问题。通过动态模拟结果和现场监测结果的对比分析，证明了该施工模拟技术的正确性。
以直径71.2 m索穹顶工程为对象，介绍索穹顶施工的关键技术，即结构施工偏差及构件尺寸误差的控制、结构的安装成形方法、预应力张拉次序与方法、施工仿真分析与监测控制等。将内中脊索、内中斜索及环向索都做成定长索，外斜索和外脊索做成可调索，调整其长度补偿耳板的径向施工误差；在总结类似工程施工经验的基础上，提出地面拼装、整体同步提升外脊索和外斜索进行安装、张拉外斜索使结构成形的施工方法，减少高空作业量，保证施工的安全；根据索穹顶结构为柔性结构且具有多个对称轴的特点制定了分级分批张拉的施工方案，完成对索穹顶结构的张拉施工，从监测数据看出，施工完毕以后的位形和设计位形基本一致。
内蒙古伊旗全民健身体育中心主体结构采用下部收进、上部多层大悬挑结构,体系的竖向刚度明显不规则，使得结构体系在静力及罕遇地震作用下弹塑性性能成为结构体系安全控制的关键因素。首先对主体结构进行静力弹塑性分析，选取性能目标对不同方案进行对比，优化选择了带外斜交网格结构的多层大悬挑结构体系。随后分别采用振型分解反应谱法、弹性动力时程分析法和弹塑性动力时程分析方法对该结构体系进行了抗震性能分析，重点对结构的不规则性、结构安全性、大震下弹塑性性能及抗倒塌性能进行分析。分析表明，按选定性能目标优化得到的结构体系经济合理，实现了多层大悬挑结构在静力及地震作用下性能安全的设计目标。
内蒙古伊旗全民健身体育中心工程上部结构采用多层大悬挑结构。大悬挑桁架根部应力高度集中，是结构的关键部位；位于悬挑桁架上弦处的楼板受拉、下弦处的楼板受压，楼板浇筑时机对结构体系受力、楼板本身受力状态有非常大的影响。采用Midas/Gen软件建立有限元模型，通过单元的“激活”与“钝化”建立施工过程的力学模型，对主体结构的施工安装过程、楼板刚度形成次序及关键构件安装次序进行计算模拟，分析了施工过程中结构内力变化及变形，得到了最佳施工安装方案。该方案在临时支撑部分卸载后安装悬挑根部构件，使关键构件内力得到优化，有效解决悬挑根部应力集中问题；在临时支撑完全卸载后浇筑桁架上弦处楼板，有效地减小了位于桁架上弦处混凝土楼板的拉力。
以内蒙古伊旗全民健身体育中心工程为背景，对楼层设置运动场的大跨度及长悬挑钢结构振动模拟及结构的人员舒适度问题进行研究。采用基于实测谱的谐波叠加法模拟人员运动荷载和随机振动法模拟悬挑结构脉动风荷载。对大跨度楼层人员舒适度的荷载激励频率、张弦梁拉索预应力度和楼板厚度等影响参数进行分析，考虑可能出现的各种荷载工况，分析运动员及看台观众的舒适度。分析表明：改变楼层预应力不能有效改善大跨度结构使用舒适度；随着楼层板厚增加，结构竖向加速度和自振频率均近似线性降低；运动场内和观众看台宜采用不同的舒适度控制指标。研究结果可为楼层设置运动场的预应力大跨度及长悬挑楼层钢结构工程的荷载模拟、人员舒适度性能目标和控制标准等提供设计参考。
制作4根钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱、1根非加劲T形截面钢管混凝土柱和1根T形截面钢筋混凝土柱试件，对其进行低周往复水平荷载作用下的滞回性能试验，研究其破坏模式和滞回性能，分析钢筋加劲肋的作用机理以及钢管对混凝土的约束作用。结果表明：相比T形截面钢筋混凝土柱，T形截面钢管混凝土柱破坏程度有明显减轻，刚度、承载力以及耗能性能均有明显提高；钢筋加劲肋能有效限制钢板局部屈曲和阴角处钢管与混凝土脱离，保证钢管和混凝土共同工作，对拉钢筋加劲肋相对锯齿形钢筋加劲肋的效果更加显著；含钢率较高的钢管混凝土柱承载力更高,耗能能力更好；轴压比从0.2增加到0.4时，钢筋加劲的T形截面钢管混凝土柱的承载力增大，延性降低。
为了研究薄板混凝土组合截面部分外包组合柱（弱轴）的滞回性能，对3个薄板混凝土组合截面部分外包组合柱（弱轴）足尺试件在恒定轴压下进行了水平低周反复荷载试验，观察了加载过程中薄壁板件翼缘局部屈曲和混凝土裂缝开展与压溃现象，得到了试件的荷载位移滞回曲线。根据试验结果分析了试件的承载力、抗侧刚度、延性与耗能、破坏模式等力学性能。结果表明：试件具有较好的变形能力和耗能能力；试件的破坏模式为柱脚部位混凝土压溃和拉结筋屈服甚至拉断，随之薄壁板件翼缘发生局部屈曲。研究进一步丰富了薄板混凝土组合截面部分外包组合柱研究成果，为该类柱设计规范的制订和工程应用提供了理论依据和技术储备。
对10个高宽比为3的角钢约束混凝土短柱进行轴心受压试验，观察试件的破坏过程，得到了试件的荷载轴向位移关系曲线，根据试验结果，分析了构件截面尺寸、缀板间距以及混凝土强度对角钢约束混凝土柱承载力的影响；利用有限元软件ANSYS对试验过程进行数值仿真分析。结果表明：试件最终破坏时在试件中部附近位置角钢和缀板出现凸鼓变形；随着缀板间距的增大，试件的承载力逐渐减小，荷载位移曲线下降越明显，可见在相同条件下，缀板间距是影响角钢约束混凝土短柱承载力的主要因素。在试验和仿真分析的基础上提出角钢约束混凝土轴压短柱承载力的简化计算式。
对4片配筋率相同但灌孔率和砌筑方法（错缝砌筑和同缝砌筑）不同的N式砌块配筋砌体剪力墙进行了低周反复荷载试验，研究了墙体的破坏模式、承载力、滞回特性、延性等抗震性能指标。试验结果表明：相比于普通混凝土小砌块砌体配筋墙体，错缝砌筑和同缝砌筑的N式砌块配筋砌体剪力墙都表现出更高的斜截面承载力，且砌块剪力墙的破坏形态与现浇钢筋混凝土剪力墙相似，破坏时受拉纵筋屈服，角部砌块与灌孔混凝土压碎；墙体的承载力随着竖向荷载的降低而降低，但墙体的延性随着竖向荷载的降低而增大；墙体发生受弯破坏时，裂缝细而多，破坏时裂而不倒，具有良好的承载能力、刚度、延性性能以及耗能能力；墙体抗震性能明显优于普通砌块配筋砌体剪力墙。
在刚塑性冲切计算模型的基础上，采用二次抛物线形库仑莫尔混凝土强度准则，运用虚功原理，建立考虑混凝土板中抗弯钢筋销栓作用的冲切承载力计算式。根据已有板冲切试验研究成果，如冲切角和破坏时刻抗弯钢筋应力等数据，对板冲切承载力计算式进行简化，给出简化计算式。与国内外混凝土板冲切试验数据进行计算比较后发现，简化计算式的计算结果较好地符合实测承载力；抗弯钢筋的销栓作用约占钢筋混凝土板总冲切承载力的6%～11%，而忽略抗弯钢筋的销栓作用会给计算结果带来较大影响。
提出一种分析地基梁非线性位移的新方法。首先采用分段线性函数对非线性的基底压力(p) -基底沉降(s)关系曲线进行拟合，通过引入控制变量，得到p-s曲线统一表达式。根据地基梁模型能量泛函，结合参变量变分原理和分段线性地基模型中的互补条件，导得一个标准的线性互补模型。该模型可用较为成熟的规划算法进行求解，使地基梁位移非线性求解问题转化为一个标准的数学问题。在对该法的合理性进行验证后，详细推导了集中荷载作用下地基梁位移的非线性求解方程，并对其进行求解。在此基础上，对线性与非线性计算的差异及影响非线性计算结果的因数进行分析，得到如下主要结论：考虑非线性影响时，地基梁位移曲线不均匀沉降增大，地基梁内力增大；随着p-s曲线非线性程度增加以及p-s曲线上进入非线性段临界压力值的减小，非线性影响越明显；荷载大小及梁与地基的相对刚度均会影响地基梁位移分布形式。
从轴对称弹性空间问题的基本控制方程出发，推导出Hankel积分变换域内单层地基的精确刚度矩阵，即解析层元，然后按有限层法组装成多层地基的总体刚度矩阵。通过求解由总体刚度矩阵形成的方程组，得到该问题在Hankel积分变换域内的解，再通过Hankel积分逆变换，得到轴对称荷载作用下多层地基的精确解。编制了相应程序进行计算，通过与已有文献的结果及有限元计算结果比较，证明了所提方法的正确性；通过多层地基模型与均匀地基模型的比较，揭示了两者的差异。天然地基往往呈层状分布，各层土的物理性质差别较大，故与通常采用的均匀地基模型相比，成层地基模型更能真实地分析天然地基在轴对称荷载作用下的位移。
将地基视为多层横观各向同性体，基于弹性圆板与地基的竖向位移协调条件与光滑接触条件，结合多层横观各向同性地基应力与位移的传递矩阵解，推导出多层横观各向同性地基上轴对称受荷弹性圆板问题的解析解。编制了相应的计算程序，并对数值计算结果进行了对比分析。结果表明：圆板刚度的增大有助于减小板底位移和沿深度竖向应力；地基横观各向同性性质对板底位移及板中心下沿深度竖向应力影响显著。
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