復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)施工誤差的控制理論研究項(xiàng)目摘要

近年來(lái)空間張拉結(jié)構(gòu)獲得了廣泛應(yīng)用。對(duì)于拉索眾多、索網(wǎng)構(gòu)型復(fù)雜的張拉結(jié)構(gòu)，其索系相互作用較強(qiáng)，形與力的密切聯(lián)系使得依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)索力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行索長(zhǎng)調(diào)整的傳統(tǒng)張拉方法很難將索力與幾何位形調(diào)整到設(shè)計(jì)狀態(tài),而且拖延工期、增加施工成本。新近發(fā)展的定尺定長(zhǎng)設(shè)計(jì)與張拉方法能有效解決上述問(wèn)題，但該方法無(wú)法糾正加工、安裝與張拉等過(guò)程中產(chǎn)生的大量隨機(jī)施工誤差，因而需要依據(jù)結(jié)構(gòu)類型確定各類施工誤差的限值?，F(xiàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)程，均以單根拉索的制作與安裝水平孤立地界定其加工誤差，尚沒(méi)有基于結(jié)構(gòu)性能確定誤差控制及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，難以有效控制整體結(jié)構(gòu)的誤差效應(yīng)及影響。本項(xiàng)目將通過(guò)理論分析與模型試驗(yàn)，對(duì)復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)施工誤差的影響與敏感性開展研究，確定其施工誤差的非簡(jiǎn)單疊加原理及合理分布模式，根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度理論確定各種類型張拉結(jié)構(gòu)中不同構(gòu)件施工誤差的控制范圍，研究成果將為復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收提供依據(jù)。

復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛。對(duì)于復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)，采用“定尺定長(zhǎng)索”設(shè)計(jì)與施工，更易找到其初始預(yù)應(yīng)力態(tài)，經(jīng)濟(jì)美觀且施工成本低。本報(bào)告對(duì)復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)，在使用“定尺定長(zhǎng)索”的設(shè)計(jì)與施工時(shí)的索長(zhǎng)誤差控制的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，并給出了相應(yīng)的控制方法或解決方案。 首先，對(duì)于復(fù)雜張拉結(jié)構(gòu)，明確在使用“定尺定長(zhǎng)索”設(shè)計(jì)與施工時(shí)，初始索長(zhǎng)誤差是最關(guān)鍵的施工誤差，并利用平衡矩陣?yán)碚?，推?dǎo)證明了初始索長(zhǎng)誤差分析中的一些基本假設(shè)及前提。接著，對(duì)肋環(huán)型索穹頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初始索長(zhǎng)誤差的敏感性分析。在敏感性分析的基礎(chǔ)上，引入隨機(jī)數(shù)學(xué)中的可靠度理論以及非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，提出了初始索長(zhǎng)誤差控制限值的計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，研究了拉索制造的質(zhì)量控制水平、預(yù)應(yīng)力態(tài)下容許的索力偏差大小，以及結(jié)構(gòu)可靠度容許限值對(duì)初始索長(zhǎng)誤差控制限值的影響，為張拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工提供了索下料長(zhǎng)度控制的誤差標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，研究了采用“定尺定長(zhǎng)索”設(shè)計(jì)與施工時(shí)，張拉結(jié)構(gòu)全生命周期內(nèi)，不同溫度作用對(duì)張拉結(jié)構(gòu)的影響，并根據(jù)影響性質(zhì)的不同將其分為作用于整體結(jié)構(gòu)及作用于部分構(gòu)件兩類。在此基礎(chǔ)上，研究了兩類溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響與邊界支承條件的關(guān)系。此外，以實(shí)際建造的肋環(huán)型索穹頂結(jié)構(gòu)為例，提出了溫度作用控制范圍的計(jì)算方法，并給出當(dāng)溫度作用超過(guò)限值時(shí)，通過(guò)調(diào)整索下料長(zhǎng)度補(bǔ)償溫度作用影響的方法。 本報(bào)告還提出了索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)體系變形預(yù)調(diào)值的計(jì)算方法。在進(jìn)行變形預(yù)調(diào)的情況下，對(duì)比分析獲得了對(duì)安裝玻璃影響最小的優(yōu)化安裝順序。研究了索網(wǎng)幕墻結(jié)構(gòu)在采用“定尺定長(zhǎng)索”設(shè)計(jì)與施工時(shí)，整索初始索長(zhǎng)誤差和節(jié)點(diǎn)連接標(biāo)定偏差對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，提出了同時(shí)考慮這兩種誤差的施工誤差限值計(jì)算方法。 最后，本報(bào)告設(shè)計(jì)了平面投影為矩形的肋環(huán)型索穹頂模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)不同荷載工況的試驗(yàn)進(jìn)一步研究了矩形平面肋環(huán)型索穹頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)特性，在此基礎(chǔ)上分析了各類構(gòu)件的誤差敏感性，最后通過(guò)試驗(yàn)研究初始索長(zhǎng)誤差對(duì)荷載態(tài)的影響，驗(yàn)證了前文相關(guān)結(jié)論。 2100433B

幾何誤差是造成索網(wǎng)、索穹頂?shù)却祟惾嵝灶A(yù)張力結(jié)構(gòu)初始形態(tài)偏差的主要因素，有效地控制幾何誤差效應(yīng)是該類結(jié)構(gòu)張拉施工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。本項(xiàng)目以幾何誤差為著眼點(diǎn)，在柔性預(yù)張力結(jié)構(gòu)隨機(jī)幾何誤差效應(yīng)及其敏感性分析理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)該類結(jié)構(gòu)體系的張拉設(shè)計(jì)分析理論、張力調(diào)整和模型修正分析理論以及技術(shù)評(píng)定的定量化分析方法三個(gè)層面的問(wèn)題進(jìn)行深入研究。本項(xiàng)目還將借助索穹頂結(jié)構(gòu)的施工張拉模型試驗(yàn)來(lái)考察理論研究成果的正確性，并對(duì)以控制幾何誤差效應(yīng)為目的的施工張拉技術(shù)和張力調(diào)整技術(shù)進(jìn)行研究。本項(xiàng)目旨在建立一套較為系統(tǒng)的，以幾何誤差效應(yīng)分析為基礎(chǔ)的柔性預(yù)張力結(jié)構(gòu)張拉施工的分析理論和方法，為該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工和評(píng)定提供理論和技術(shù)上的支持。

本項(xiàng)目的研究成果包括六方面內(nèi)容：（1）建立了索桿張力結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨機(jī)幾何誤差的數(shù)學(xué)模型以及結(jié)構(gòu)預(yù)張力偏差效應(yīng)計(jì)算分析方法；（2）建立了基于方差的索桿張力結(jié)構(gòu)預(yù)張力偏差敏感性分析方法；（3）進(jìn)一步完善了索桿張力結(jié)構(gòu)施工張拉成形分析方法，提出了索桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則及分岔路徑的跟蹤方法；（4）基于幾何誤差效應(yīng)分析理論，建議了一套結(jié)構(gòu)張拉方案有效性的定量評(píng)價(jià)方法和主動(dòng)張拉索的優(yōu)選策略；（5）根據(jù)桿件內(nèi)力增量方差對(duì)主動(dòng)索索長(zhǎng)增量方差的敏感性，提出了一套結(jié)構(gòu)預(yù)張力偏差監(jiān)測(cè)和調(diào)整的分析方法。（6）結(jié)合兩個(gè)實(shí)際工程，對(duì)索桿張力結(jié)構(gòu)預(yù)張力偏差的施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)制定方法提出了建議。 2100433B

誤差理論的應(yīng)用與研究，已經(jīng)歷200年的歷史，它伴隨著生產(chǎn)與科技而并行發(fā)展，總體進(jìn)程可分為經(jīng)典誤差理論和現(xiàn)代誤差理論兩個(gè)階段，經(jīng)典誤差理論以嚴(yán)格統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)，主要限于以隨機(jī)誤差為對(duì)象的一系列數(shù)據(jù)處理方法現(xiàn)代科技的發(fā)展，暴露出它存在許多不足現(xiàn)代誤差理論則以傳統(tǒng)理論與現(xiàn)代化理論和實(shí)踐相結(jié)合為原則，以多種性質(zhì)不同的誤差為對(duì)象的處理方法，具有明顯的實(shí)用性特征。

分析誤差理論產(chǎn)生與發(fā)展的漫長(zhǎng)過(guò)程，可以看出始終困擾著的一個(gè)重要因素就是如何處理測(cè)量數(shù)據(jù)隱含的系統(tǒng)誤羌初期的經(jīng)典誤差理論僅有誤差這個(gè)概念，而且是采用統(tǒng)計(jì)理論來(lái)處理測(cè)量結(jié)果和進(jìn)行誤差評(píng)定，很顯然這是認(rèn)為測(cè)量數(shù)據(jù)中只存在隨機(jī)誤羌但是在長(zhǎng)期的科學(xué)實(shí)踐中，一些著名科學(xué)家發(fā)現(xiàn)影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素不僅僅是隨機(jī)誤差，而且還有其他因素，提出了誤差的可分性，即將誤差進(jìn)一步分為隨機(jī)誤差(偶然誤差)系統(tǒng)誤差和粗大誤差等三類，并給出相應(yīng)的處理方法，即剔除粗大誤差、修正系統(tǒng)誤差，而用隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)參量來(lái)評(píng)定測(cè)量結(jié)果的精度從誤差的單一性發(fā)展到誤差的可分性，這是誤差理論的重要進(jìn)步雖然它對(duì)系統(tǒng)誤差的處理還不完善，特別是還不能發(fā)現(xiàn)所有的系統(tǒng)誤差，在測(cè)量結(jié)果中仍存在系統(tǒng)誤差影響，但它明顯提高了測(cè)量數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性和誤差評(píng)定的可靠性。

本世紀(jì)中期，隨著測(cè)量準(zhǔn)確度的不斷提高，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)處理的要求也愈來(lái)愈高，科技工作者在深入研究隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的處理理論基礎(chǔ)上，提出了誤差轉(zhuǎn)化概念，即認(rèn)為在一定條件下，某些隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差可以互相轉(zhuǎn)化，其中特別是將系統(tǒng)誤差進(jìn)一步分為己定系統(tǒng)誤差和未定系統(tǒng)誤差兩類，并給出相應(yīng)處理方法即對(duì)己定系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正，而對(duì)未定系統(tǒng)誤差則計(jì)入測(cè)量結(jié)果的精度評(píng)定，這是誤差理論又一次重要發(fā)展，并由此必然提出了一個(gè)新問(wèn)題，即在測(cè)量結(jié)果的精度評(píng)定中必須包含隨機(jī)誤基轉(zhuǎn)化后的隨機(jī)誤差和只知誤差限的未定系統(tǒng)誤差，對(duì)這些誤差需用一個(gè)誤差數(shù)值來(lái)表示，為此必須進(jìn)行誤差合成 。