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沈世钊教授談大跨度空間結構的發展(3)
作者:管理員    發布于:2018-10-29 11:32:03    文字:【】【】【】浏覽 (143)
摘要:空間結構的理論研究是與其工程應用同步開展的。早期的研究偏重于各式空間結構在荷載作用下的靜、動力性能的分析方法,以滿足一般設計工作的需要為主要目标

四、理論研究

  空間結構的理論研究是與其工程應用同步開展的。早期的研究偏重于各式空間結構在荷載作用下的靜、動力性能的分析方法,以滿足一般設計工作的需要為主要目标。這些研究為我國空間結構的發展提供了基本的理論支持。

  我國關于空間結構研究的一個特點是做了大量的試驗。這是我國結構研究領域的一個優良傳統。80年代乃至90年代初期建造的幾乎每一個有代表性的大型空間結構,都作過模型試驗或現場實測。這些試驗研究同理論分析工作一起,以及它們之間的相互印證,使我們對原來可能比較生疏的各種新穎空間結構的基本性能了解得越來越全面,為設計這些結構積累起比較豐富的理論儲備。

  我們除了對各種類型空間結構的基本性狀和計算方法的研究以外,一些更為基礎性的理論研究也受到了重視。關于網殼穩定性的研究已取得許多重要成果。穩定性是網殼結構、尤其是單層網殼結構設計中的關鍵問題,也是國内外十多年來的熱點研究領域。我國從80年代後期開始也積極開展以非線性全過程分析為基礎的網殼穩定性研究。

  在深入的理論研究的基礎上,采用大規模參數分析的方法,進行了網殼穩定性分析實用方法的研究。即結合不同類型的網殼結構,在其基本參數(幾何參數、構造參數、荷載參數等)的常用變化範圍内,進行大規模的實際結構全過程分析,對所得結果進行統計分析和歸納,考察網殼穩定性的變化規律,然後通過回歸分析提出網殼穩定性驗算的實用公式。這一工作很受廣大設計部門歡迎。這些公式已列入正在編制的“網殼結構技術規程”(征求意見稿)。應該說,我國關于網殼穩定性的研究是相當深入和細緻的。

  空間結構是充分地利用曲面形狀來抵抗外力作用的結構形式,所以空間結構的形體設計(或從理論分析角度稱作初始形态分析)具有十分重要的意義。對于鋼筋混凝土薄殼和鋼網殼等較剛性的體系,其形态分析主要涉及結構幾何形狀的優化。對索網、膜和索-膜等柔性結構體系,初始形态分析具有更基本的意義。初始形态分析的任務就是要确定在給定支承條件下滿足建築功能要求的曲面形狀和預張力狀态的優化組合。具體的計算方法一般采用非線性有限元分析方法,但理論上遠未定型。我國在懸索結構和膜結構的初始形态分析方面作過不少工作,并編制了一些相應的軟件。有些研究者還提出了空間結構初始形态的優化準則和分析方法。

  我們對懸索結構的風振問題也做了不少研究,索、膜結構等柔性體系自振頻率低,是風敏感結構,研究這種結構在風作用下的動力響應十分重要。膜結構具有較強的幾何非線性,而且作為多自由度的複雜三維體系,其自振頻率密集分布且相互耦合;傳統的以振型分解法為基礎的随機振動頻域分析方法無法應用。幾年來我們主要開展了若幹種非線性随機方法,可用來分析索、膜結構這類大跨度柔性體系的風振響應。

  但不同的柔性屋蓋體系,其風振特性也有差别,以膜結構為例,膜既是受力構件,又是覆面材料,質輕而薄,局部剛度很小,在風作用下局部膜單元的速度和加速度、響應較大,可能對周圍流場産生影響,形成明顯的流固耦合作用,導緻較明顯的氣彈反應和可能的動力失穩現象。研究這一問題在理論上有較大難度,各類随機振動分析方法都是建立在來流已知的基礎上,無法考慮真正的流固耦合作用。目前主要的研究方法是風洞試驗,但風洞試驗也存在局限性。在風洞試驗中某些相似參數的模拟和某些物質量的精确觀測均非易事。有些研究者準備用氣動彈性力學的方法來研究膜結構風振分析中的流固耦合問題,提出了一些氣動力模型,其中有關參數需由氣彈模型風洞實驗來确定。應該說,這一方法目前離實用尚遠。

  鑒于上述原因,有些研究者轉向另一方向,即借鑒橋梁,飛機等其他學科領域的風振研究經驗,運用計算流體力學研究手段,開發适應于膜結構風工程領域的數值風洞,以便對結構響應與周圍流場的變化做出更準确的描述,并對各種可能的氣彈失穩現象進行探索,這是一種有前途的研究方法,但目前我們隻能說,這些方法還都處在探索階段。

  我相信,在做好上面這些理論研究工作以後,将使我國大跨空間結構領域形成較完整的理論體系并進入世界先進行列,為我國大跨度建築的進一步發展提供充分的理論支持。

沈世钊教授主要貢獻及榮譽:

  沈世钊教授長期從事結構工程學科的教學和研究工作,近二十年來緻力于大跨空間結構領域的理論研究和工程實踐,解決了多項關鍵理論問題,尤其在“懸索結構解析理論”、“網殼結構非線性穩定”和“大跨柔性屋蓋風振響應”等前沿研究中取得重要成果。與此同時,結合吉林滑冰館、亞運會石景山體育館和朝陽體育館、冬季亞運會黑龍江省速滑館、威海體育場等工程創造了許多具有重大影響的大型空間結構,他的理論研究和工程實踐活動對我國大跨空間結構學科的發展并進入世界先進行列做出了貢獻,其研究成果和工程創造獲國家科技進步二等獎,建設部科技進步一等獎、黑龍江省科技進步一等獎等十餘項獎勵,1990年獲“國家級有突出貢獻專家”稱号,1999年被選為中國工程院院士。培養碩士、博士及博士後近70名,出版著作5部,發表論文140餘篇。

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