一、基本情況
獲獎(jiǎng)項(xiàng)目名稱:大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)形態(tài)構(gòu)建、鑄鋼節(jié)點(diǎn)損傷評(píng)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究
主要完成單位:中建五局華東建設(shè)有限公司、中國建筑第五工程局有限公司、中鐵建工集團(tuán)有限公司、國網(wǎng)江蘇省電力有限公司建設(shè)分公司、蘇交科集團(tuán)股份有限公司
主要完成人:郜江俊、馮若強(qiáng)、唐敏、芮興龍、黃士君、趙坤、周小燕、張建成、劉凱、葉嵩
二、項(xiàng)目背景
近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu)功能兼具美學(xué)的要求越來越高，集建筑、結(jié)構(gòu)和使用要求一體化的地標(biāo)性空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)大量涌現(xiàn)。因此如何經(jīng)濟(jì)、合理、安全的設(shè)計(jì)和建造這些大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)就成為當(dāng)務(wù)之急。結(jié)合數(shù)字化技術(shù)的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建設(shè)計(jì)方法、空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鑄鋼節(jié)點(diǎn)損傷評(píng)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開始出現(xiàn)并取得重要進(jìn)展，成為其高水平、高質(zhì)量、高效率、低成本地設(shè)計(jì)和建造大跨空間網(wǎng)格空間結(jié)構(gòu)的利器。
三、創(chuàng)新成果
（1）考慮空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定缺陷敏感性影響的自由曲面形態(tài)優(yōu)化方法。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化中以結(jié)構(gòu)應(yīng)變能為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)以軸向應(yīng)變能為主，結(jié)構(gòu)名義承載力較高。但在考慮初始幾何缺陷后，結(jié)構(gòu)承載力大幅下降，結(jié)構(gòu)對(duì)初始幾何缺陷異常敏感。提出了考慮結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷影響的自由曲面空間結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化方法。該方法基于NURBS曲面，通過調(diào)節(jié)彎曲應(yīng)變能和總應(yīng)變能比例關(guān)系，降低優(yōu)化后結(jié)構(gòu)對(duì)初始幾何缺陷的敏感性，得到考慮初始幾何缺陷后仍具有較高承載力的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
圖1 考慮空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定缺陷敏感性影響的自由曲面形態(tài)構(gòu)建設(shè)計(jì)方法
（2）鑄造缺陷及鑄鋼材料力學(xué)性能研究。從宏觀和細(xì)觀尺度，通過對(duì)大樣本量的鑄鋼材料試件和鑄鋼節(jié)點(diǎn)試件運(yùn)用超聲波、X射線斷層掃描、鑄造過程數(shù)值模擬等手段，測(cè)量和統(tǒng)計(jì)分析了鑄造缺陷，采用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立了鑄造缺陷分布概率模型。研究了單個(gè)及多個(gè)宏觀缺陷的尺寸大小、位置、分布情況等因素對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)及含鑄鋼節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能和疲勞性能的影響。研究了載荷作用下鑄鋼材料中細(xì)觀缺陷演化過程，揭示了材料的變形與破壞機(jī)制，建立了考慮細(xì)觀損傷演化的鑄鋼材料本構(gòu)模型，為鑄鋼件承載能力計(jì)算提供了更精確的力學(xué)理論和方法。相關(guān)研究結(jié)論為鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄造缺陷質(zhì)量等級(jí)評(píng)定方法改進(jìn)提供了重要依據(jù)。
圖2足尺鑄鋼節(jié)點(diǎn)切片試驗(yàn)
圖3 細(xì)觀X射線斷層掃描
圖4 損傷演化本構(gòu)模型
（3）鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接殘余應(yīng)力分布及焊縫斷裂性能和疲勞壽命評(píng)估。對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的力學(xué)性能進(jìn)行了大量基礎(chǔ)性試驗(yàn)，提供了疲勞壽命曲線等工程應(yīng)用數(shù)據(jù)。根據(jù)國內(nèi)外常用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接形式，設(shè)計(jì)了多種不同焊接細(xì)節(jié)的焊縫試件進(jìn)行試驗(yàn)，擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出各種焊縫的S-N曲線和P-S-N曲線，為工程應(yīng)用提供了重要數(shù)據(jù)。通過試驗(yàn)，揭示了鑄鋼節(jié)點(diǎn)連接焊縫的破壞機(jī)理和設(shè)計(jì)不足，為改進(jìn)焊縫設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
圖5 焊縫材料填充過程動(dòng)態(tài)模擬
圖6 焊縫材料填充過程動(dòng)態(tài)模擬
圖7 擴(kuò)展有限元實(shí)現(xiàn)焊縫斷裂性能分析
（4）鑄鋼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)中鑄鋼材料和連接焊縫兩者的強(qiáng)度不平衡問題，建立了以焊縫強(qiáng)度控制的鑄鋼材料初始缺陷尺寸計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了基于疲勞性能的鑄鋼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以節(jié)點(diǎn)質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以鑄鋼抗疲勞損傷限值為約束條件，并充分考慮鑄鋼節(jié)點(diǎn)的鑄鋼材料部分與環(huán)形對(duì)接焊縫的抗疲勞性能要求。通過靈敏度分析方法篩選參數(shù)，采用組合優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，構(gòu)造最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)矩陣全局抽樣，采用非線性序列二次規(guī)劃法局部尋優(yōu)，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算優(yōu)化后的鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞壽命，對(duì)不滿足疲勞壽命要求的焊縫局部參數(shù)進(jìn)行修正，最終完成優(yōu)化目標(biāo)。
圖8 節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)
四、推廣應(yīng)用情況
發(fā)表SCI論文100篇，一級(jí)學(xué)報(bào)論文11篇，撰寫專著3部，納入國家、行業(yè)、協(xié)會(huì)和地方標(biāo)準(zhǔn)8部，獲得發(fā)明專利20項(xiàng)和軟件著作權(quán)14項(xiàng)。成果應(yīng)用于蘇州中環(huán)天幕鋼結(jié)構(gòu)和深圳大運(yùn)會(huì)體育場(chǎng)等幾十座標(biāo)志性空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)工程，為提高我國大跨空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建造水平提供了先進(jìn)理論與系列技術(shù)。
圖9 蘇州中環(huán)天幕鋼結(jié)構(gòu)
