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沈世钊教授谈大跨度空间结构的发展(3)
作者:管理员    发布于:2018-10-29 11:32:03    文字:【】【】【】浏览 (942)
摘要:空间结构的理论研究是与其工程应用同步开展的。早期的研究偏重于各式空间结构在荷载作用下的静、动力性能的分析方法,以满足一般设计工作的需要为主要目标

四、理论研究

  空间结构的理论研究是与其工程应用同步开展的。早期的研究偏重于各式空间结构在荷载作用下的静、动力性能的分析方法,以满足一般设计工作的需要为主要目标。这些研究为我国空间结构的发展提供了基本的理论支持。

  我国关于空间结构研究的一个特点是做了大量的试验。这是我国结构研究领域的一个优良传统。80年代乃至90年代初期建造的几乎每一个有代表性的大型空间结构,都作过模型试验或现场实测。这些试验研究同理论分析工作一起,以及它们之间的相互印证,使我们对原来可能比较生疏的各种新颖空间结构的基本性能了解得越来越全面,为设计这些结构积累起比较丰富的理论储备。

  我们除了对各种类型空间结构的基本性状和计算方法的研究以外,一些更为基础性的理论研究也受到了重视。关于网壳稳定性的研究已取得许多重要成果。稳定性是网壳结构、尤其是单层网壳结构设计中的关键问题,也是国内外十多年来的热点研究领域。我国从80年代后期开始也积极开展以非线性全过程分析为基础的网壳稳定性研究。

  在深入的理论研究的基础上,采用大规模参数分析的方法,进行了网壳稳定性分析实用方法的研究。即结合不同类型的网壳结构,在其基本参数(几何参数、构造参数、荷载参数等)的常用变化范围内,进行大规模的实际结构全过程分析,对所得结果进行统计分析和归纳,考察网壳稳定性的变化规律,然后通过回归分析提出网壳稳定性验算的实用公式。这一工作很受广大设计部门欢迎。这些公式已列入正在编制的“网壳结构技术规程”(征求意见稿)。应该说,我国关于网壳稳定性的研究是相当深入和细致的。

  空间结构是充分地利用曲面形状来抵抗外力作用的结构形式,所以空间结构的形体设计(或从理论分析角度称作初始形态分析)具有十分重要的意义。对于钢筋混凝土薄壳和钢网壳等较刚性的体系,其形态分析主要涉及结构几何形状的优化。对索网、膜和索-膜等柔性结构体系,初始形态分析具有更基本的意义。初始形态分析的任务就是要确定在给定支承条件下满足建筑功能要求的曲面形状和预张力状态的优化组合。具体的计算方法一般采用非线性有限元分析方法,但理论上远未定型。我国在悬索结构和膜结构的初始形态分析方面作过不少工作,并编制了一些相应的软件。有些研究者还提出了空间结构初始形态的优化准则和分析方法。

  我们对悬索结构的风振问题也做了不少研究,索、膜结构等柔性体系自振频率低,是风敏感结构,研究这种结构在风作用下的动力响应十分重要。膜结构具有较强的几何非线性,而且作为多自由度的复杂三维体系,其自振频率密集分布且相互耦合;传统的以振型分解法为基础的随机振动频域分析方法无法应用。几年来我们主要开展了若干种非线性随机方法,可用来分析索、膜结构这类大跨度柔性体系的风振响应。

  但不同的柔性屋盖体系,其风振特性也有差别,以膜结构为例,膜既是受力构件,又是覆面材料,质轻而薄,局部刚度很小,在风作用下局部膜单元的速度和加速度、响应较大,可能对周围流场产生影响,形成明显的流固耦合作用,导致较明显的气弹反应和可能的动力失稳现象。研究这一问题在理论上有较大难度,各类随机振动分析方法都是建立在来流已知的基础上,无法考虑真正的流固耦合作用。目前主要的研究方法是风洞试验,但风洞试验也存在局限性。在风洞试验中某些相似参数的模拟和某些物质量的精确观测均非易事。有些研究者准备用气动弹性力学的方法来研究膜结构风振分析中的流固耦合问题,提出了一些气动力模型,其中有关参数需由气弹模型风洞实验来确定。应该说,这一方法目前离实用尚远。

  鉴于上述原因,有些研究者转向另一方向,即借鉴桥梁,飞机等其他学科领域的风振研究经验,运用计算流体力学研究手段,开发适应于膜结构风工程领域的数值风洞,以便对结构响应与周围流场的变化做出更准确的描述,并对各种可能的气弹失稳现象进行探索,这是一种有前途的研究方法,但目前我们只能说,这些方法还都处在探索阶段。

  我相信,在做好上面这些理论研究工作以后,将使我国大跨空间结构领域形成较完整的理论体系并进入世界先进行列,为我国大跨度建筑的进一步发展提供充分的理论支持。

沈世钊教授主要贡献及荣誉:

  沈世钊教授长期从事结构工程学科的教学和研究工作,近二十年来致力于大跨空间结构领域的理论研究和工程实践,解决了多项关键理论问题,尤其在“悬索结构解析理论”、“网壳结构非线性稳定”和“大跨柔性屋盖风振响应”等前沿研究中取得重要成果。与此同时,结合吉林滑冰馆、亚运会石景山体育馆和朝阳体育馆、冬季亚运会黑龙江省速滑馆、威海体育场等工程创造了许多具有重大影响的大型空间结构,他的理论研究和工程实践活动对我国大跨空间结构学科的发展并进入世界先进行列做出了贡献,其研究成果和工程创造获国家科技进步二等奖,建设部科技进步一等奖、黑龙江省科技进步一等奖等十余项奖励,1990年获“国家级有突出贡献专家”称号,1999年被选为中国工程院院士。培养硕士、博士及博士后近70名,出版著作5部,发表论文140余篇。

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