科创中国

数字创意产业

一、任务来源拱结构以其跨越能力强、承载能力高、结构轻盈美观和制作施工方便等优势，被广泛地应用于桥梁和大跨屋盖结构。据不完全统计，20世纪60年代以来，我国共建成各类拱桥8万多座，约占现役桥梁的15%，是城市和公路桥梁的主要桥型之一，在交通运输和国民经济发展中占有重要地位。在建筑结构工程中，拱形屋盖结构被广泛应用于城市的车站站台、机场、影剧院、体育馆等大型公共建筑，如北京国家大剧院，南通体育馆、鄂尔多斯东胜体育场等。由于拱结构为受压构件，在静动力荷载下容易丧失稳定性，稳定性验算成为拱结构设计的关键问题。2002以来，为解决有关拱结构稳定性设计方法及抗风优化设计方法等关键技术问题，课题组采取自由申请、公开投标、企业委托等多种方式，先后承担了国家自然科学基金项目、广东省科技计划项目、广东省教育厅重点创新项目、广州市科技攻关重大专项等相关科研项目共10余项，代表性项目如下：1. 国家自然科学基金项目：斜靠式拱桥侧倾失稳机理的理论与实验研究（编号：11272095，78万元）。2. 国家自然科学基金面上项目：基于风洞试验数据库的大跨屋盖结构抗风优化设计方法（编号：50978063，35万元）。3. 国家自然科学基金项目：考虑拱肋病害影响的钢管混凝土拱桥力学行为研究（编号：51208123，25万元）。4. 国家自然科学基金项目：基于随机模型的覆雪屋盖风致动力失稳机理研究（编号：51208126，25万元）。5. 广东省科技计划项目（国际合作）：工程结构灾害与控制关键技术研究（编号：2009B050200015，50万元）。6. 广东省教育厅科技创新重点项目：轻型拱桥稳定性设计方法研究（编号：2012CXZD0028，40万元）。7. 广州市科技攻关重大专项：城市新型拱桥静力及地震动力稳定性研究及应用（编号：2011Y200006，100万元）。8. 广东省科技计划重点引导项目：拱桥承载能力安全检测关键技术研发（编号：2012B040302005，15万元）。9. 中山市市政工程建设中心项目：中山一桥全桥模型试验研究（编号：SJ02020技服，60万元）。10. 中山市市政工程建设中心项目：中山市长江大桥模型试验研究（编号：SJ03044技服，75万元）。11. 广州南沙明珠湾区开发有限公司项目：南沙市凤凰二桥节点模型试验及仿真计算分析（编号：穗南湾(工程)2014046，48.6万元）。12. 广州凯得文化娱乐有限公司项目：广州国际体育演艺中心主场馆运营期间风环境、风效应监测及结构状态评估（编号：凯文[2011]号，30万元）。二、应用领域和技术原理（1）成果名称：拱结构稳定体系创新与优化设计应用领域：新型拱桥的设计。技术原理：提出变异分离式多肋组拼拱、半斜靠式拱、月亮型拱等创新型拱桥体系，实现了拱结构稳定性与美观性的协调统一。通过多座桥梁结构的模型试验对以上新设计构思进行了完善了改进，确保了结构在受力上的合理性和使用上的安全性。拱肋的面外稳定问题是肋拱桥设计与施工的控制因素，也是学术界、工程界长期关注的焦点问题。课题组提出的变异分离式多肋组拼拱、半斜靠式拱、月亮拱三种新型拱桥结构体系，开辟了解决拱肋横向稳定问题的新途径。（2）成果名称：多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥侧倾失稳极限承载能力计算方法应用领域：多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥的弹塑性稳定性设计和复核验算。技术原理：基于能量法推导了组拼多肋拱桥和斜靠式拱桥侧倾失稳临界荷载解析解计算公式，阐明了拱桥侧向失稳置信区域，跟踪了拱肋失稳变形和受力的全过程，获得了侧倾失稳极值点，揭示了多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥侧倾失稳变形模态和失稳机理，建立了便于工程实用的多肋拱桥和斜靠式拱桥侧倾失稳极限承载能力的简化计算公式，为该类型桥梁的稳定性设计及优化设计奠定了理论基础。（3）平行组拼拱的平面外弹塑性稳定性设计计算方法应用领域：单拱和平行组拼拱的平面外弹塑性稳定系数及极限承载能力的设计计算和复核。技术原理：以大量不同设计参数的平行双拱为研究对象，考虑结构几何初始缺陷及材料非线性，采用大挠度弹塑性有限元数值分析方法，分析了几何初始缺陷、矢跨比、长细比、横撑长度、横撑根数以及主拱截面尺寸等设计参数对平行组拼双拱的影响规律，得到了其平面外弹塑性稳定系数。在此基础上，在平行组拼双拱的正则化长细比坐标下，借鉴中国钢结构规范GB500172003中轴压柱子稳定系数曲线的PerryRobertson公式，利用Matlab程序对平行组拼双拱的平面外弹塑性稳定系数数据点进行拟合，得到了适用于平行组拼双拱的建议稳定曲线。进行了大量组拼拱的面外稳定性试验，对建议稳定曲线的正确性进行了验证。基于该建议稳定曲线，可对平行组拼拱的平面外弹塑稳定系数进行设计和计算。（4）拱结构在任意动力荷载下的动力稳定性分析方法应用领域：拱结构在任意动力荷载下的动力稳定性设计与分析，为拱结构的抗动力灾变设计提供理论依据。技术原理：以欧拉梁的MathieuHill系统理论为基础，基于非线性振动理论、龙格库塔响应计算方法及结构虚功原理，求得拱结构动力失稳的非线性惯性系数，建立了拱结构在任意动力荷载下的稳定性判别方法。并针对大型矩阵特征值求解耗时较长的问题，基于CUDA编程模式，构建CPUGPU的混合编程异构平台，从而提高拱结构动力不稳定域的求解效率。最后基于实测荷载数据，确定荷载随机性控制参数，分析风环境中的平均风速、湍流强度、湍流积分尺度等荷载参数对多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥设计参数的影响规律，凝练出拱结构在任意动力荷载下的稳定性判别方法和动力失稳区域分布图。（5）拱形屋盖结构的抗风优化设计方法。应用领域：应用于拱形屋盖结构的抗风优化设计，可在确保结构安全的前提下，对杆件截面积进行优化，节省工程造价。技术原理：运用模糊神经网络方法来模拟大跨屋盖结构的风压分布特性，采用完全二次型组合法直接精确地计算结构的整体动态响应，为抗风优化的风荷载模型与计算提供了理论基础。然后采用量子粒子群算法建立了通用性较强的拱形屋盖结构的抗风优化方法，构造了适用的自适应动态罚函数表达式，进一步引入多样性干扰以及插值算子对量子粒子群算法进行改进，同时考虑了静力风荷载的多目标等效，构建了一套可用于任意拱形屋盖结构的抗风优化设计计算程序和方法。同时还建立了融合准则法和序列二次规划法的拱形屋盖结构的抗风优化方法，应用KuhnTucker条件构造二次规划问题，考虑了优化过程中杆件截面积变化引起的等效静力风荷载更新。利用SAP2000有限元分析软件中基于MATLAB的应用程序接口环境（API），研制了基于SAP2000二次开发技术的拱结构抗风优化设计系统。三、性能指标（1）提出了变异分离式多肋组拼拱、半斜靠式拱、月亮型拱等创新型拱桥体系，实现了拱结构稳定性与美观性的协调统一。通过多座桥梁结构的模型试验，对上述拱结构稳定性创新方法的设计构思进行了完善和改进，确保了结构在受力上的合理性和使用上的安全性。拱肋的面外稳定问题是肋拱桥设计与施工的控制因素，也是学术界、工程界长期关注的焦点问题。课题组提出的变异分离式多肋组拼、半斜靠式拱、月亮拱等新型拱桥结构体系，开辟了解决拱肋横向稳定的新途径。（2）提出了多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥侧倾失稳极限承载能力计算方法。基于能量法以及突变理论推导了多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥侧倾失稳临界荷载解析解计算公式，建立了任意动力荷载下的稳定性判别方法，提出了多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥侧倾静、动力失稳极限承载能力的简化计算方法，突破了该类型拱桥向大跨径、轻型化、经济化发展的瓶颈，在确保桥梁工程安全性、适用性和耐久性的前提下，有效优化了桥梁设计参数、大幅度降低了工程造价以及设计周期。（3）提出了平行组拼拱的平面外弹塑屈曲曲线和稳定系数的设计计算方法。该方法在正则化长细比坐标下，将原本分散的不同设计参数的平行双拱的平面外弹塑性稳定系数数据点集中于一个小的带宽内，进而得到了平行双拱的稳定设计的屈曲曲线，该曲线和中国钢结构规范GB500172003中轴压柱子稳定系数曲线的PerryRobertson公式类似。按照该设计建议曲线，可方便计算拱形结构的弹塑性稳定系数。（4）提出了拱结构在任意动力荷载下的动力稳定性分析方法。基于能量法和Hamilton 原理，建立了任意动力荷载作用下拱结构动力稳定偏微分方程，并利用Galerkin方法将其转化为二阶常微分Mathieu Hill型参数振动方程，求得了任意动力荷载作用下的动力不稳定区域。针对大型矩阵特征值求解耗时较长的问题，基于CUDA编程模式，构建了CPUGPU的混合编程异构平台，利用GPU的并行计算能力，在Matlab平台上开发了大型矩阵特征值求解的并行算法，大大提高了拱结构动力不稳定域的求解效率。通过激振试验验证了动力稳定分析理论的正确性，并首次发现了拱结构面外参数共振现象，在此基础上，发现了质量分布和阻尼条件对拱结构动力不稳定区域的影响规律，利用模型试验验证了非线性参数振动最大幅值的理论结果，发现拱结构面外振动是以非线性惯性占优的振动，幅值曲线向低频方向发生牵引，进一步揭示了非线性定态、非定态振动的规律。最后凝练出多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥在任意动力荷载下的稳定性判别方法和动力失稳区域分布图，提出了拱结构避免发生平面外侧倾参数振动的有效方法。（5）提出了基于改进量子粒子群和多算法融合的拱形屋盖结构抗风优化设计方法。构造了适用的自适应动态罚函数表达式，并引入多样性干扰以及插值算子对量子粒子群算法进行改进，同时考虑了静力风荷载的多目标等效，构建了一套可用于拱形屋盖结构抗风优化设计的计算程序和方法。还建立了结合准则法和序列二次规划法的拱形屋盖结构抗风优化方法，并利用SAP2000有限元分析软件中基于Matlab的应用程序接口环境（API），编制了一套集大跨结构风振响应分析和抗风优化为一体的设计系统。四、与国内外同类技术比较本研究解决了拱结构稳定性设计和抗风优化设计过程中的诸多技术难题。课题组于2015年12月委托广州市科技查新咨询中心进行了国际查新，查新结论为：未发现雷同于本创新点的内容，研究成果具有新颖性。研究成果与国内外同类技术相比居领先地位，具体体现在如下几个方面：（1）拱结构稳定体系创新及优化设计方面：为提高拱桥的面外稳定性，多采用有横撑的拱桥结构，这类结构提高了拱桥的稳定性，但由于横撑的布置会对行车人造成视觉错乱的感觉，一定程度上影响了拱结构的行车感官和整体美观性。为解决拱结构稳定性与美观性这一对矛盾，课题组提出了变异分离式多肋组拼、半斜靠式拱、月亮型拱等创新型拱桥体系，实现了拱结构稳定性与美观性的协调统一，在行业内被广泛借鉴。（2）多肋组拼拱桥及斜靠式拱桥侧倾稳定极限承载能力计算方法方面：目前国内外学术界和工程界针对斜靠式拱桥的侧倾稳定极限承载能力的研究已有涉及，但基本上均是基于有限元数值解法。而本课题组基于能量法或突变理论推导出了多肋组拼拱和斜靠式拱桥的侧倾失稳临界荷载解析解，该成果为国内外首创，能够具体明确地反应出桥梁各设计参数间的相互关系，有利于结构的优化设计，具有重大的理论指导意义。（3）平行组拼拱平面外弹塑稳定系数的设计计算方法方面：现有关于拱结构平面外弹塑性稳定承载力的研究大多集中于单根拱肋的研究，对组拼拱的研究不多。目前仅欧洲钢结构设计规范和德国钢结构设计规范DIN18800II中对单根钢拱的稳定性设计作出了粗略的规定。本项目首次提出了平行组拼拱的平面外弹塑屈曲曲线和稳定系数的计算方法。该方法在正则化长细比坐标下，将原本分散的不同设计参数平行双拱的平面外弹塑性稳定系数数据点集中于一个小的带宽内，进而得到了用于平行双拱稳定设计的屈曲曲线，该曲线和中国钢结构规范GB500172003中轴压柱子稳定系数曲线的PerryRobertson公式类似。按照该设计建议曲线，可方便的计算拱形结构的弹塑性稳定系数。（4）拱结构在任意动力荷载下的动力稳定性分析方法方面：尽管前人对于拱结构的动力稳定问题做了不少的研究，但大多集中于针对抛物线拱、圆弧拱、正弦拱等形式的拱结构在集中力、均布力作用下的静力、动力稳定性的理论研究，而且都集中于其面内失稳，对于平面外动力失稳形式研究甚少，而对于拱结构的动力稳定试验研究则更加少见。本项目首次基于能量法和 Hamilton 原理，建立了任意动力荷载作用下拱结构的动力稳定偏微分方程，并利用Galerkin方法将其转化为二阶常微分Mathieu Hill型参数振动方程，求得了任意动力荷载作用下的动力不稳定区域，并进行了大量不同参数模型拱的激振试验，对理论计算结果的正确性进行了验证。在此基础上，凝练出多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥在任意动力荷载下的稳定性判别方法和动力失稳区域分布图，提出了拱结构避免发生平面外侧倾参数振动的有效方法。（5）拱形屋盖结构的抗风优化设计方法方面：现有的抗风优化研究多集中于高层建筑结构，而对拱形屋盖结构的研究较少。现有方法多采用最优准则法，与量子粒子群算法等智能算法相比，该方法不能针对所有结构建立统一的抗风优化程序系统，在工程实践中的通用性较差。另外，目前建筑结构的抗风优化研究中，并无考虑多个目标的等效性来获得等效静力风荷载，导致优化结果的精度不足。本项目构造了适用的自适应动态罚函数表达式，并引入多样性干扰以及插值算子对量子粒子群算法进行改进，同时考虑了静力风荷载的多目标等效，构建了一套可用于拱形屋盖结构抗风优化设计的计算程序和方法。同时还建立了融合准则法和序列二次规划法的拱形屋盖结构抗风优化设计方法，并基于Sap2000二次开发技术编制了一套集大跨风致振动响应分析、大跨结构抗风优化设计为一体的拱形屋盖结构尺寸优化设计系统。五、成果创造性、先进性（1）首次提出了变异分离式多肋组拼拱、半斜靠式拱、月亮型拱等创新型拱桥结构体系，实现了拱结构稳定性与美观性的协调统一。（2）首次推导了斜靠式拱桥及拱肋系侧倾失稳临界荷载的解析解，提出了斜靠式拱桥或拱肋系侧倾失稳临界荷载的计算方法以及极限承载能力简化计算方法。（3）首次推导了基于突变理论原理的组拼拱侧倾失稳临界荷载解析解。（4）首次提出了平行组拼双拱平面外弹塑性稳定设计曲线及稳定系数的设计计算方法。（5）首次基于能量法和Hamilton原理，引入拱顶配重因素和阻尼因素，建立了在任意动力荷载作用下拱结构的动力稳定偏微分方程，并利用Galerkin方法将其转化为二阶常微分Mathieu Hill型参数振动方程，求得了任意动力荷载作用下的动力不稳定区域，并通过激振试验验证了理论计算结果的正确性。（6）首次通过试验和数值方法得到了拱顶配重和阻尼条件对拱结构动力不稳定区域的影响规律，揭示了非线性定态、非定态振动的规律，提出了多肋组拼拱桥和斜靠式拱桥在任意动力荷载下的稳定性判别方法。（7）构造了适用的自适应动态罚函数表达式，引入多样性干扰以及插值算子对量子粒子群算法进行改进，提出了考虑静力风荷载多目标等效的拱形屋盖结构抗风优化设计方法。（8）应用KuhnTucker条件构造二次规划问题，考虑优化过程中杆件截面积变化引起的等效静力风荷载更新，建立了融合准则法和序列二次规划法的拱形屋盖结构抗风优化方法。六、作用意义课题组所取得的一系列开创性研究成果，解决了拱结构稳定性设计和优化设计的一系列关键技术问题。拱结构的稳定性是其安全性的关键，通过本课题的研究，优化了拱结构各设计参数、有效地降低了工程造价、缩短了拱结构建设周期、确保了拱结构在施工和运营过程中的稳定性，大幅减少了拱结构的安全隐患以及由灾害带来的人员伤亡，保障了人民生命财产安全，推动了拱结构的发展和应用。另外，本课题还对拱形屋盖结构的抗风优化进行了研究，提出了各种实用的抗风优化设计方法，在既能保证结构安全性的前提下，又能有效降低结构的造价。该项目成果自2002年以来，已先后推广应用于多座不同类型的拱结构，包括广州新光大桥、潮州金山大桥、广州国际体育演艺中心等桥梁结构和大跨空间结构，取得了明显的经济效益。另外通过应用本项目成果，成功消除了拱结构安全隐患、有效减少了灾害带来的人员伤亡，创造了显著的社会效益。七、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见本课题的研究成果适用性强，应用范围广，不需要特定的推广应用条件。本课题提出的新型拱桥结构体系是城市中等跨径桥梁及景观桥梁中的首选桥型，具有良好的推广应用前景；本课题提出的拱结构动、静力稳定性计算分析方法则有效填补了目前设计规范的一些盲区，可被各类拱结构的稳定性设计采纳借鉴；本课题提出的拱结构抗风优化设计方法则在保证结构抗风安全性的基础上能有效的降低结构的造价，经济效益明显。研究成果已先后推广应用于20余座不同结构形式的拱桥和拱形屋盖结构，解决了拱结构稳定性计算和结构优化设计的关键技术问题。研究成果带来的直接经济效益达上亿元，取得了显著的社会效益与经济效益。随着我国基础建设的不断推进，以及城市建筑中对景观效果的重视，拱结构的应用将会越来越普遍，本课题的研究成果必将迎来更为广泛的应用。