“世博场馆大空间结构安全保障关键技术”研究概述

        由同济大学、上海紫珊光电技术有限公司、上海市机械施工有限公司、上海鸣锐软件技术有限公司和南开大学合作完成的科研项目“世博场馆大空间结构安全保障关键技术”日前通过了由上海市科委组织的专家验收。
根据项目任务书设定的研究内容和目标，课题分四个子课题分别对大空间结构的施工、常规条件下的使用安全、火灾条件下的安全及大空间结构安全检测技术进行了深入系统的研究，完成的主要工作内容有：
        一、大空间结构施工安全保障关键技术研究
        1、大型空间结构体系施工安装过程的数值仿真技术研究及CAD软件开发
        ·针对大型结构体系的吊装、滑移、张拉、卸载等施工安装手段，研究了主动索和被动索力学模型、非理想接触节点模型，建立了分段吊装的节点位置迁移原则，完成了整个施工安装过程的数值模拟，并开发了大空间结构施工过程CAA辅助分析模拟软件；
        ·研究成果可以完善空间结构设计和建造过程的分析理论，为大量待建新型空间结构提供施工预安装手段，有助于消除重大工程项目施工安装中的安全隐患，确保大型空间结构体系施工安装的安全性。
        2、大空间结构施工过程模拟计算方法研究
        ·针对大型钢结构整体施工方法中的吊点设置原则、吊装过程中运动不同步的控制限值及施工过程中结构边界条件变化的分析，提出了用于确定合理吊点位置的修正“random guess”流程分析法；提出了用于控制吊装过程不同步“non-synchronism limitation”计算流程；
        ·针对结构在施工过程中的变边界问题，提出了模型等效变换法和强制约束法；将虚拟样机技术和柔体动力学理论应用到钢结构施工过程的运动分析和仿真模拟研究中，通过对三维运动仿真软件COSMOS／Motion的模拟方法进行修正，提出了用于仿真模拟大型钢结构施工过程的方法和实施步骤。通过模拟分析一个实际钢结构工程的施工过程，分析各种模拟的运动形态、力学形态和控制参数等，了解施工过程的薄弱环节或危险环节，提出施工中施工过程预警的参数和运动状态。
        二、常规条件下大空间结构使用安全保障关键技术研究
        1、新型薄膜材料ETFE材料特性及ETFE气枕结构设计与施工方法研究
·        对ETFE材料单向拉伸特性进行了试验研究，参考塑料薄膜试验标准确定ETFE薄膜试验方法，给出了决定ETFE材料屈服点、弹性常数的分析方法。通过对三种常用厚度膜材经向和纬向的单向拉伸试验，得到了ETFE薄膜材料的抗拉强度、断裂延伸率、第一和第二屈服强度、弹性常数以及泊松比等重要的材料参数；
·        对ETFE气枕结构进行了模型试验研究，包括成形试验、充气试验和加载试验。利用材料试验得到的材料参数进行气枕模型的数值计算，并将试验结果与数值结果进行比较分析。根据本研究的试验结果，采用割线弹性模量进行数值分析得到的膜面位移与试验值比较吻合；
·        针对气枕结构需要设置充气控制系统，同时需要较高的运行以及维护成本的缺点，提出了以弹簧代替充气的新型弹簧枕式膜结构，并对这种新型结构体系的可行性进行分析，给出了设计方法；
·        进行了ETFE薄膜屋盖铝合金试验展示厅的设计、制作与施工。展示厅采用可拆卸式铝合金结构，不锈钢节点。屋盖采用ETFE气枕与新开发的ETFE弹簧枕式结构两种单元结构形式。
        2、新型拉索-玻璃穹顶结构研究
        ·通过对各种玻璃材料的力学性能和玻璃节点的连接方式进行了广泛的调查分析，对将玻璃作为结构承重构件材料的可行性进行了论证；
        ·基于充分发挥玻璃材料高抗压性能的特点，构造了一种新型拉索-玻璃采光顶结构体系；研究了该体系在竖向对称荷载、竖向反对称荷载和风吸力作用下的内力和位移等静力特性，了解结构中玻璃板应力的分布和节点位移的变化，并与纯玻璃壳结构的静力特性进行比较，得到了拉索截面、预应力、玻璃板厚、矢跨比和水平索位置等参数对结构静力特性的影响，分析了结构应力和竖向位移在不同参数下的变化特征；
        ·对拉索-玻璃穹顶结构进行了整体静力稳定性分析，研究拉索截面、预应力、玻璃板厚、矢跨比和水平索位置等参数对结构整体稳定性能的影响，并研究在结构到达整体失稳时，下部斜拉索的内力变化，对一块或多块玻璃破碎后的结构稳定性能进行了分析和研究；
        ·对拉索．玻璃穹顶结构体系的自振特性进行了研究，并进行了参数分析；
        ·对现有玻璃结构连接节点进行了综合研究，并构造出一种适于新型拉索-玻璃结构体系的节点构造形式，根据提出的局部边界只受压单元的理论，给出了螺栓连接和夹板连接的玻璃板的计算算例，验证了新连接构造方案的可行性和有效性。
        3．大空间结构健康监测与评估软件系统开发
        ·软件主要对结构变形、位移、振动等物理参数进行监测，对监测数据进行处理，从而实现对结构的初步评估。软件系统主要包含结构建模、结构分析、数据采集、数据处理、安全评估等几大模块。通过工程实例分析验证了软件的可靠性。
        三、大空间结构火灾条件下的安全保障关键技术研究
        1、基于性能的大空间建筑钢结构抗火设计方法研究
        ·主要对传统的钢结构抗火设计方法存在的问题进行了分析，提出了性能化的钢结构抗火设计方法的整体理论框架，并从设计、施工、验收各环节提出了保证火灾下钢结构安全的整体思路和具体措施。
        2、大空间建筑火灾特性研究
         针对大空间建筑火灾的特点，分别基于层模型和场模型对大空间火灾的空气温度分布特性进行参数分析，得到了大空间火灾空气温度实用计算方法。该计算方法形式简单，计算量小，具有较好的精度，适合工程设计采用。
        3、火灾下大空间建筑钢结构的升温分析研究
        ·针对大空间建筑火灾的特点，采用本研究基于层模型和场模型得到的大空间火灾空气温度升温简化计算公式，提出了大空间火灾下钢构件的升温计算方法；
         针对大空间火灾下火焰直接辐射对钢构件升温的影响比一般室内火灾更明显的事实，给出了考虑火焰直接辐射影响的钢构件升温计算方法，通过参数分析给出了不考虑火焰辐射对构件升温影响的角系数限值，可供大空间建筑钢结构抗火设计参考。
         4、火灾下大空问建筑钢结构非线性反应分析理论与倒塌破坏机制研究
        ·基于非线性有限元基本理论，建立了火灾大空间下钢结构、门式刚架结构、索网结构、网架结构和平面桁架结构的结构反应非线性分析理论，提出的分析方法可以考虑高温下结构材料的非线性和构件几何非线性的影响。
        5、耐火钢材料特性及构件抗火性能研究
        ·对国产耐火钢在高温下的材料力学性能进行了系统的试验研究，得到了耐火钢的力学特性参数随温度的变化规律；
         以耐火钢高温下的材料性为基础，提出了耐火钢受弯、轴心受压和偏心受压构件抗火设计方法；
         对耐火钢构件的抗火性能进行了试验研究，试验研究对象包括简支梁、轴心受压柱、偏心受压柱，每种构件试验了三个试件，试验考察了耐火钢构件在火灾下破坏特征，并    分别采用本课题提出的耐火钢构件抗火承载力验算方法和ANSYS软件分别对试验结果进行分析对比，验证了耐火钢构件抗火承载力验算方法的可靠性。
        四、大空间结构安全检测方法研究与检测设备的研制
        1、建筑膜材材性以及膜面预张力测试方法研究与测试设备研制
        ·以建筑膜材料和膜结构的力学性能为主要研究内容，以涂层织物类膜材为主要研究对象，在膜材料的基本力学特性、强度指标、工程常数以及膜结构单元的连接性能和膜面  张力检测技术的研究与应用等方面进行了系统研究；
        ·对建筑膜材料的构成与分类以及建筑物理性能进行了系统阐述，并通过试验研究重点分析了建筑膜材料非线性、非弹性、各向异性以及粘弹性四大基本力学特性；
        ·研究确定了合理的建筑膜材料的抗拉强度和撕裂强度两大基本强度指标试验方法；通过试验确定了几类常用涂层织物类膜材的强度值；
        ·完成了膜结构、膜材料力学性能试验装置的研制，包括膜材双轴拉伸试验机以及面内纯剪试验装置等。应用“拟索法”，根据膜材面内张力和面外刚度的力学关系，利用真空泵和激光位移计，通过测量膜材在一定面外荷载下的面外位移，换算膜材面内预应力的原理，开发了膜材张力测量仪，并应用于多项膜结构工程中，评定膜结构张拉施工质量。
        2、EM法索张力测试设备研制
        ·采用最新的无损检测技术，应用结构工程学、电磁学以及材料学等多学科领域的理论进行设计，研究了EM测量索张力的原理技术；
        ·研制了相关仪器设备，可以进行铁磁性材料在承受拉压应力状态下的应力或拉力测量，测量经度可以达到95％以上。可以应用在建筑工程、桥梁工程等多方面的无损检测。
        3、光纤光栅传感机理研究和多功能FBG传感元件的研制
        ·为了提高光纤光栅传感系统解调设备的精度和分辨率，对解调设备的关键部件一非扫描干涉仪光机电结构进行了技术改进，修订完成基于干涉仪条纹信号分析和处理的波长检测技术及其高精度解调算法，完成高速光电信号处理及模块集成技术的开发，使光纤光栅传感系统解调设备的分辨率从5pm提高到1pm，完成可用于大空间结构健康监测的300HZ的FONA2004D型采样频率的光纤光栅传感系统解调设备开发和产业化，产品通过上海市计量测试所的测试，达到预定的指标，总体上达到国际先进水平；
        ·对光纤光栅的增敏和减敏技术进行了研究，开发出一套完整的封装工艺；创造性地提出了多种光纤光栅的应变和温度交叉敏感的消除技术，并制成了温度自动补偿的位移传感器；针对大空间结构健康监测应用，研制开发了工程化的高性能、高耐久性指标的光纤光栅系列应变传感器、加速度传感器和温度传感器，并通过实际工程应用，对其性能进行了较全面的工程验证与考核；
        ·从传感器的各种使用环境出发，研究了光纤光栅传感器在重大工程中的布设工艺，并提出了相应的方便操作的工艺方案。(中国钢结构协会防火与防腐分会)