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復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建筑造型越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)形式多樣，空間結(jié)構(gòu)不僅追求自重輕，還需結(jié)構(gòu)與建筑的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，只有合適的結(jié)構(gòu)才能很好地適應(yīng)和表現(xiàn)各類建筑效果。中國是空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用大國，建成的空間結(jié)構(gòu)項(xiàng)目眾多，跨度之大也居世界前列，許多復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)突破了我國現(xiàn)行相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的規(guī)定，如何保證復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建筑的安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工可行性和安裝精度等，逐漸引起科研工作者和工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。
本書以上海天文館工程案例為背景，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理和提煉，對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)建模及計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)、抗震性能設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)人致振動(dòng)及舒適度控制、復(fù)雜節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、混凝土薄殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)剖析提煉，重點(diǎn)突出設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決方法。

當(dāng)前，我國已將建設(shè)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向城鎮(zhèn)化發(fā)展和城市結(jié)構(gòu)調(diào)整之需建設(shè)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在功能、造型、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面提出了更高的要求，更提出了注重保護(hù)環(huán)境要求，迫切需要發(fā)展新型高性能建筑結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高結(jié)構(gòu)性能，降低結(jié)構(gòu)材料。空間結(jié)構(gòu)是以高效、高性能和美觀、靈活為特征的現(xiàn)代結(jié)構(gòu)�？臻g結(jié)構(gòu)建造及其所采用的技術(shù)往往反映了一個(gè)國家建筑技術(shù)的水平，一些規(guī)模宏大、形式新穎、技術(shù)先進(jìn)的大型空間結(jié)構(gòu)也成為一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力與建筑技術(shù)水平的重要標(biāo)志。
空間結(jié)構(gòu)也稱現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)，其特征為通過結(jié)構(gòu)內(nèi)力自平衡手段來減少結(jié)構(gòu)用材、減輕結(jié)構(gòu)自重，改變結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的受力狀態(tài)，從而大大減少結(jié)構(gòu)用材，這種特殊的結(jié)構(gòu)方法在大跨度、大懸挑的建筑中被廣泛使用�？臻g結(jié)構(gòu)不僅追求結(jié)構(gòu)自重輕，同時(shí)結(jié)構(gòu)形式多樣、美觀的特點(diǎn)，能很好地適應(yīng)和表現(xiàn)各類建筑。大型復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用越來越多，同時(shí)我國學(xué)者對(duì)于各類空間結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)和理論研究越來越深入和廣泛并已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但目前仍存在下面5個(gè)不足之處值得進(jìn)一步研究。
(1)試驗(yàn)研究方面：一是試驗(yàn)數(shù)量匱乏，無論是整體模型試驗(yàn)還是節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)均沒有形成系統(tǒng)的成果；二是部分試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀茨芘c時(shí)俱進(jìn)，早年試驗(yàn)研究的節(jié)點(diǎn)通常較為常規(guī)，不能反映現(xiàn)行復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性，指導(dǎo)意義有限；三是節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)僅關(guān)注承載力方面，針對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定有重大影響的節(jié)點(diǎn)剛度研究尚不足。
(2)理論研究方面：一是由于缺乏足夠的試驗(yàn)支持，相當(dāng)數(shù)量的數(shù)值模擬結(jié)果難以得到驗(yàn)證；二是節(jié)點(diǎn)有限元模型的計(jì)算分析中所做的部分假定的合理性有待研究；三是在結(jié)構(gòu)整體模型的分析中，對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度及構(gòu)件初始缺陷的考慮不足。
(3)設(shè)計(jì)應(yīng)用方面：一是設(shè)計(jì)中的抗震驗(yàn)算均未考慮節(jié)點(diǎn)連接形式的實(shí)際耗能能力而僅將構(gòu)件簡單假定為剛接；二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)施工過程的模擬計(jì)算與實(shí)際施工過程存在一定的不匹配。
(4)混凝土曲面殼體的設(shè)計(jì)要同時(shí)考慮施工方案并核算施工荷載。設(shè)計(jì)與施工有著互相依賴的關(guān)系，因此，只有兩者密切配合，經(jīng)過多方案比較，才能求得最佳的設(shè)計(jì)與施工方案。
(5)數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的整體規(guī)律性是趨于一致的，且不同風(fēng)向角下的極值相差不大，說明數(shù)值風(fēng)洞模擬結(jié)果可以應(yīng)用于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)荷載設(shè)計(jì)工作當(dāng)中。尤其是在項(xiàng)目方案確定階段，可以借助數(shù)值風(fēng)洞模擬工作來進(jìn)一步優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的外形布置。
本書由賈水鐘組織和編寫，李瑞雄參與全書1~5章的編寫工作，孫悅參與本書部分章節(jié)的校對(duì)、修改工作。
本書的完成離不開相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的支持和鼓勵(lì)，部分內(nèi)容應(yīng)用了國內(nèi)外專家學(xué)者和設(shè)計(jì)同行的設(shè)計(jì)思路或研究成果，在此致以衷心的感謝。由于空間結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)發(fā)展迅速，書中難免存在不當(dāng)和疏漏之處，敬請(qǐng)各位同仁批評(píng)指正。

賈水鐘2022年12月10日，上海

第 1 章　緒論 ………………………………………………………………… 1
1.1　復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)發(fā)展概況 …………………………………………………… 1
1.2　上海天文館項(xiàng)目 …………………………………………………………… 3
1.2.1　項(xiàng)目背景 …………………………………………………………… 3
1.2.2　設(shè)計(jì)思路及建筑要求 ……………………………………………… 4
1.3　本書主要研究內(nèi)容 ………………………………………………………… 10
1.3.1　結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)研究 ………………………………………………… 10
1.3.2　結(jié)構(gòu)舒適度的控制技術(shù)研究 ……………………………………… 10
1.3.3　混凝土殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究 ………………………… 10
1.3.4　節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)研究 ………………………………………………… 10
1.3.5　結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究 …………………………………………………… 11
第 2 章　復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)技術(shù)研究與工程實(shí)踐 ……………………………… 12
2.1　結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)研究 ………………………………………………………… 12
2.1.1　上部結(jié)構(gòu)體系 ……………………………………………………… 12
2.1.2　主要部位結(jié)構(gòu)布置 ………………………………………………… 14
2.2　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析 ……………………………………………………………… 20
2.2.1　設(shè)計(jì)計(jì)算方法 ……………………………………………………… 20
2.2.2　結(jié)構(gòu)控制指標(biāo) ……………………………………………………… 22
2.2.3　結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算分析結(jié)果 …………………………………………… 22
2.2.4　結(jié)構(gòu)抗震性能分析 ………………………………………………… 43
2.3　結(jié)構(gòu)舒適度控制技術(shù)研究 ………………………………………………… 50
2.3.1　結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制研究現(xiàn)狀 …………………………………………… 50
2.3.2 TMD 振動(dòng)控制的研究現(xiàn)狀 ……………………………………… 52
2.3.3　人行荷載的研究現(xiàn)狀 ……………………………………………… 54
2.3.4　人致振動(dòng)舒適度評(píng)價(jià)方法 ………………………………………… 56
2.4　天文館結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位舒適度計(jì)算 ………………………………………… 63
2.4.1　結(jié)構(gòu)在步行激勵(lì)下的響應(yīng) ………………………………………… 64
2.4.2 TMD 參數(shù)設(shè)計(jì) …………………………………………………… 67
2.4.3　設(shè)置 TMD 后的減震效果 ………………………………………… 68
2.5　本章小結(jié) …………………………………………………………………… 69
第 3 章　混凝土殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究 …………………………… 71
3.1　混凝土殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用 …………………………………………… 71
3.1.1　混凝土殼體結(jié)構(gòu)的發(fā)展 …………………………………………… 71
3.1.2　鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)發(fā)展的主要障礙 …………………………… 73
3.2　曲面混凝土結(jié)構(gòu)的施工 …………………………………………………… 74
3.2.1　曲面混凝土施工中的難題 ………………………………………… 74
3.2.2　曲面混凝土施工的施工方法 ……………………………………… 74
3.2.3　曲面混凝土施工的分項(xiàng)工程控制 ………………………………… 75
3.3　天文館混凝土殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………………………… 77
3.3.1　球幕影院區(qū)域結(jié)構(gòu)布置 …………………………………………… 77
3.3.2　球幕影院區(qū)域結(jié)構(gòu)靜力分析 ……………………………………… 78
3.3.3　球體與混凝土殼體節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造 ………………………………… 82
3.3.4　球幕結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能分析 ……………………………………… 82
3.3.5　多遇地震作用下球幕結(jié)構(gòu)抗震性能分析 ………………………… 82
3.3.6　罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震性能分析 ……………………………… 85
3.4　天文館混凝土殼體結(jié)構(gòu)施工技術(shù)研究 …………………………………… 91
3.4.1　混凝土曲殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況 ………………………………………… 91
3.4.2　工程施工特點(diǎn)和難點(diǎn) ……………………………………………… 93
3.4.3　殼體結(jié)構(gòu)施工順序 ………………………………………………… 93
3.4.4　殼體施工模板與支撐體系設(shè)計(jì) …………………………………… 94
3.4.5　殼體結(jié)構(gòu)施工技術(shù)措施 …………………………………………… 96
3.5　本章小結(jié) …………………………………………………………………… 98
第 4 章　節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)研究 ……………………………………………… 100
4.1　節(jié)點(diǎn)形式 ………………………………………………………………… 100
4.1.1　根據(jù)施工方法劃分 ……………………………………………… 100
4.1.2　復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)常用節(jié)點(diǎn)形式 …………………………………… 101
4.2　節(jié)點(diǎn)研究方法 …………………………………………………………… 102
4.2.1　試驗(yàn)研究 ………………………………………………………… 102
4.2.2　數(shù)值模擬 ………………………………………………………… 102
4.2.3　組件法 …………………………………………………………… 103
4.3　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)研究 …………………………………………………………… 103
4.3.1　球幕影院球體與混凝土殼體連接節(jié)點(diǎn) ………………………… 103
4.3.2　大懸挑區(qū)域弧形桁架相貫節(jié)點(diǎn) ………………………………… 106
4.3.3　弧形桁架與混凝土筒體之間連接節(jié)點(diǎn) ………………………… 112
4.3.4　鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)桿件連接節(jié)點(diǎn) ………………………………… 116
4.4　本章小結(jié) ………………………………………………………………… 118
第 5 章　復(fù)雜結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究 …………………………………………… 120
5.1　大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究概況 ………………………………………… 120
5.1.1　研究思路 ………………………………………………………… 120
5.1.2　研究手段 ………………………………………………………… 120
5.1.3 ANN 在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)領(lǐng)域的應(yīng)用 ………………………………… 121
5.1.4　主要研究內(nèi)容 …………………………………………………… 123
5.2　剛性模型風(fēng)洞測壓試驗(yàn) ………………………………………………… 124
5.2.1　風(fēng)洞試驗(yàn) ………………………………………………………… 124
5.2.2　風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析 ……………………………………………… 132
5.3　天文館表面風(fēng)壓的 ANN 預(yù)測 ………………………………………… 152
5.3.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及研究意義 ………………………………… 152
5.3.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理 ……………………………………… 153
5.3.3　天文館表面未知測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)預(yù)測 …………………… 155
5.3.4　未知風(fēng)向角下的平均風(fēng)壓系數(shù)預(yù)測 …………………………… 160
5.3.5　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測結(jié)果分析 ………………………………………… 162
5.4　數(shù)值模擬研究 …………………………………………………………… 163
5.4.1　流場數(shù)值模擬方法 ……………………………………………… 163
5.4.2　邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分 ……………………………………… 164
5.4.3　天文館風(fēng)荷載參數(shù)數(shù)值模擬 …………………………………… 165
5.5　數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析 …………………………………… 171
5.5.1 CFD 方法得到的結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載分布特點(diǎn)…………………… 171
5.5.2　數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析 ………………………………… 174
5.6　本章小結(jié) ………………………………………………………………… 176
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………… 177

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