为满足北京大兴国际机场航站楼少柱、大空间的建筑需求,提出一种以可独立承载的大型子结构单元为基础、支承体系与屋盖结构一体化的巨型网格结构。并就结构设计中的关键问题,进行了竖向承载能力、水平抗侧能力、防连续倒塌、抗震性能研究及竖向地震作用分析,结果表明:以若干独立承载的大型子结构单元为基础构建的体系可大幅提升结构的承载能力和抗倒塌能力;两个支撑筒或支撑框架与C形柱组成三角形支承结构,承载力可提升300%以上;子结构之间的屋盖结构对巨型网格结构的传力机制影响较大,应考虑子结构独立模型和整体模型进行承载力包络设计;当支承构件承担的地震剪力小于其承担的重力荷载比例时,应对支承构件承担的地震剪力进行调整,以提高支承构件的抗侧能力;针对构件和支承系统层面的抗连续倒塌分析可有效评估不同构件和C形柱的重要性等级;采用静力法计算大跨屋盖的竖向地震响应偏小,应采用振型分解反应谱法或动力时程分析法进行复核;采用基础与层间结合的超大平面隔震技术可有效提高巨型网格结构的抗震能力。

北京工人体育场钢结构罩棚为周边设置摩擦摆支座的开口单层扁薄拱壳结构。为提升结构整体稳定性,采用考虑结构整体初始缺陷的4等分杆件模型进行有限元模拟,针对拱壳整体形态、构件截面规格和支座刚度共计3类11个参数进行单变量敏感性分析,评估结构在特征值屈曲分析、弹性和弹塑性全过程分析下的受力性能。分析表明:弹性全过程分析临界系数与特征值屈曲分析临界系数间具有强线性相关性,二者比值平均为0.535;结构塑性折减系数平均值为0.418;拱壳整体形态类参数的敏感性相对较高,其中拱端高差敏感性最高;构件截面规格类参数中,拱肋和外环梁截面规格的敏感性较高,支座刚度的敏感性相对较低。提出了结构整体稳定设计流程,结合特征值屈曲敏感性分析结果、构件承载力富余度和弹塑性全过程分析出铰杆件类型进行综合分析,有助于提高结构整体稳定设计效率。

北京工人体育场为设置三维摩擦摆隔震支座(3D-FPB)的大跨网壳高位隔震结构。由于三维摩擦摆隔震支座的竖向刚度远小于传统摩擦摆隔震支座,可减小竖向地震作用,并调节不同支座之间的不均匀抬升。在有限元软件ABAQUS中建立了包含3D-FPB的大跨网壳模型,可准确考虑滑块在滑动面上抬升。进行罕遇地震弹塑性时程分析,并与采用普通FPB的模型对比,结果表明:3D-FPB可以降低网壳的竖向地震作用及悬挑端竖向加速度,减小对竖向荷载敏感的网壳构件的应力水平,并使相邻支座之间的竖向作用力分布更加均匀;当考虑支座不均匀抬升效应后,上部网壳的竖向地震作用及悬挑端竖向加速度增大;网壳构件在加载过程中始终保持弹性,在承载能力方面有充足安全储备。

为提高大跨度空间结构的适用性,提出一种配置下拉减振索的大跨度空间结构,通过张紧的索体将结构体和固定体相连,可以减小结构在后期使用荷载下的竖向变形和振动。通过理论推导提出了反映配置下拉减振索的大跨度空间结构基本特征的无量纲参数R,以及中置及偏置索体的最小索力需求、结构内力和变形、自振频率和振幅形状曲线的计算方法,建议优先采取索体中置的布置方式以提高工作效率。实例分析结果发现,合理设计的配置下拉减振索的大跨度空间结构的振动加速度可减小至无索结构的50%以下,在后期使用荷载下的竖向变形可减小至无索结构的10%以下。通过有限元分析发现,索体松弛产生的动力效应将显著放大结构的竖向变形和加速度,故应对减振索进行适当张拉。最后提出配置下拉减振索的大跨度空间结构的设计流程,根据无索结构特性与控制目标的差异,先设定合理的R值再进行索体设计可显著提高设计效率。

在大型索结构中,拉索作为主要受力构件承担较大的荷载。分析断索对结构的影响,成为大型索结构抗连续倒塌设计的关键。选取FAST望远镜、国家速滑馆、卡塔尔卢塞尔体育场、三亚国际体育产业园体育场、日照奎山体育中心体育场、大连梭鱼湾专业足球场等多个大型索结构工程,针对结构中典型拉索发生断索的情况,采用动力分析方法研究断索后结构的动力响应,总结索网(双向正交、三角形网格)、轮辐式索桁架(单环索、双环索、内环带刚性挑棚)等不同类型索结构断索后动力响应的特点以及断索引发的动力系数。研究结果表明:除三角形网格单层索网外,其他类型的索网、轮辐式索桁架等索结构在断索后的动力系数均出现大于规范推荐取值的情况,推荐采用动力分析方法进行断索分析;双向正交单层索网刚度、稳定性和内力重分布能力较三角形网格单层索网小,拉索断索产生的动力效应较大;索桁架交错布置的单环索轮辐式索桁架结构同双环索轮辐式索桁架结构相比,径向索、环索断索后相互产生的动力效应较小;对于轮辐式索桁架结构,当上弦设有与径向索同向布置的膜拱及交叉次索时或当环索处设有刚性挑棚时,可有效降低断索产生的动力效应。

针对沿海地区某高位大跨度连体结构在风荷载和水平地震作用下固定铰连接内力大和受力复杂的问题,提出了摩擦摆支座与切换阻尼器的组合隔震减振措施,试验研究了由黏滞阻尼器和液压阀组成切换阻尼器的阻尼力特性,开展了高位大跨度结构的隔震减振多性能目标设计方法研究。结果表明:按照调谐减振系统的最优频率确定的高位大跨度结构隔震频率使得塔楼的位移响应最小;切换阻尼器实现了速度相关型和位移相关型两种阻尼力;与摩擦摆支座的摩擦力相比,切换阻尼器的位移相关型阻尼力不受风荷载影响,滑动位移的控制效果更好;切换阻尼器的速度相关型阻尼力与摩擦摆支座的摩擦力共同实现了高位大跨度连体结构的抗震性能目标。

为验证8度抗震设防烈度区某522 m超高层结构的抗震性能,设计并制作了1/40缩尺结构模型,通过模拟地震振动台试验,研究结构在8度多遇、设防、罕遇地震作用下的动力特性,考察其在单向和三向地震动输入下的变形及损伤情况。此外,采用ABAQUS软件对结构进行了8度罕遇地震作用下弹塑性时程分析,考察了结构动力特性和位移反应,分析结构的损伤状态和薄弱部位,并与振动台试验结果对比。结果表明,该结构采用的巨型柱、巨型斜撑与环带桁架的外框筒和型钢-混凝土组合结构核心筒形成的双重结构抗侧力体系,具有较好的稳定性和结构效能,该结构在8度(0.3g)罕遇地震作用下未发生倒塌,能够很好地满足“小震不坏、大震不倒”的性能要求。

大高宽比和长宽比高层建筑具有抗侧力效率低、结构扭转振动控制难度大以及风振舒适度控制难度大等典型特点,选择高效的抗侧力体系方案,并控制抗侧力构件在各级超越概率地震作用下的合理屈服机制是该类建筑设计需考虑的关键问题。以南京市某超高层钢结构建筑为工程背景,经多方案比选研究,采用钢框架-钢支撑-钢板墙组合抗侧结构体系,对组合抗侧结构体系进行了分析和性能研究,并对该体系中的大高宽比钢管混凝土端柱-钢板剪力墙消能减震子结构进行了试验研究。研究表明:通过合理布置抗侧力构件,组合抗侧体系可以满足大高宽比、大长宽比条件下结构的刚度和扭转控制要求,满足结构预定的抗震性能目标并可实现结构抗震防线的有序可控退化。钢板墙结构总体表现出较高的承载能力和充足的延性,实现了钢板剪力墙结构“优先屈服”和“高耗能”的设计理念。

为了探究某大宽厚比超高层建筑的风致扭转效应及风振控制措施,开展了刚性模型风洞测压试验。对该建筑在不同风向角下的基底力矩系数、风振加速度响应和等效静风荷载进行了研究,分析扭转效应对舒适度指标的影响;针对结构风振加速度较大和平扭振动耦合的特点,采用主被动混合调谐质量阻尼器(ATMD)进行了结构的风振响应控制,并对ATMD控制系统的控制参数确定、地震等极端工况下质量块行程进行了研究。结果表明:大宽厚比建筑基底扭矩系数较大,且扭转向风致效应与沿建筑短边方向风致效应相关性较强,风致扭转效应对结构加速度响应有显著影响;大宽厚比建筑的横风向、扭转向的风荷载计算已超过现行建筑结构荷载规范的适用范围,且不能忽略,需通过风洞试验及风振响应分析确定;ATMD可以同时控制结构的平动和扭转风振响应,提高结构风振舒适度水平。

北京工人体育场室外看台和檐口环梁周长约800 m,复建时取消了温度伸缩缝设计,属于超长混凝土结构。考虑了不同后浇带封闭时间的影响,对体育场看台温度作用进行了分析。采用温度诱导缝措施,引导结构在诱导缝处开裂,进一步释放温度应力。针对常规诱导缝构造钢筋不连续、施工复杂的问题,提出了一种配置S形弯折钢筋的混凝土诱导缝构造,确定了诱导缝布置最大间距计算方法,并对诱导缝位置的S形弯折钢筋进行实地测量研究。结果表明:诱导缝处混凝土在温度应力作用下首先开裂,能起到进一步释放温度应力的作用;诱导缝处钢筋有更大的变形需求,配置S形弯折钢筋能充分利用其变形能力,且该诱导缝施工方便。

国产高钒密封索因其供货期短、性价比高的优势在国家速滑馆工程中获得应用。为了解该材料的疲劳耐久性能,以国家速滑馆工程为背景,结合密封索实际工作状态,对弯折状态工作密封索开展试验研究。基于100年重现期风荷载下索网结构应力和变形情况,制定疲劳试验的拉力范围和弯折角度要求,测量了不同疲劳周次下密封索弹性模量变化情况。试验结果表明:国家速滑馆正常使用条件下弯折拉索疲劳周次达到200万次,可以满足本工程100年使用年限需求;当密封索弯折角度超过正常弯折角度并达到4°时,疲劳周次可以达到200万次,但会出现跳丝情况;超载并达到拉索抗拉力设计值时,密封索最外层钢丝出现断丝和跳丝损伤情况,但损伤位置距离锚具和索夹较远,循环加载可达到40万次以上;观察钢丝断口SEM微观形貌发现,疲劳裂纹由外层钢丝内侧转角部位最先出现,与有限元分析最大主拉应力位置相同;密封索初始弹性模量为170~180 GPa,随着疲劳周次增加,密封索等效弹性模量呈上升趋势,当存在少量断丝时该趋势不变。

预应力是维持索结构稳定性、形成刚度和承载能力的核心要素。考虑结构几何对称性等因素求解预应力模态,是获取索结构可行预应力的必要条件。通过对平衡矩阵的含义进行再阐释,引出广义平衡方程和广义平衡矩阵的概念。将广义平衡矩阵与平衡矩阵结合,形成索结构的扩展广义平衡矩阵。通过对扩展广义平衡矩阵进行奇异值分解,即可得到符合预定分布模式的预应力模态。针对3个典型算例,采用所提出的方法求得了满足工程需求的可行预应力模态。研究表明:通过指定合理的预应力分布模式,采用扩展广义平衡矩阵奇异值分解法,仅需一次奇异值分解即可得到可行预应力模态,找力过程简洁、直接;预应力分布模式可根据需要灵活设定,易于得到符合设计意图的可行预应力模态。