一、基本情況
獲獎項目名稱:大跨空間網格結構形態構建、鑄鋼節點損傷評估及優化設計關鍵技術研究
主要完成單位:中建五局華東建設有限公司、中國建筑第五工程局有限公司、中鐵建工集團有限公司、國網江蘇省電力有限公司建設分公司、蘇交科集團股份有限公司
主要完成人:郜江俊、馮若強、唐敏、芮興龍、黃士君、趙坤、周小燕、張建成、劉凱、葉嵩
二、項目背景
近年來，隨著我國經濟的快速發展和人們對大跨空間結構功能兼具美學的要求越來越高，集建筑、結構和使用要求一體化的地標性空間網格結構大量涌現。因此如何經濟、合理、安全的設計和建造這些大跨空間網格結構就成為當務之急。結合數字化技術的空間結構形態創建設計方法、空間網格結構鑄鋼節點損傷評估及優化設計方法，開始出現并取得重要進展，成為其高水平、高質量、高效率、低成本地設計和建造大跨空間網格空間結構的利器。
三、創新成果
（1）考慮空間網格結構整體穩定缺陷敏感性影響的自由曲面形態優化方法。傳統結構形態優化中以結構應變能為優化目標，優化后結構以軸向應變能為主，結構名義承載力較高。但在考慮初始幾何缺陷后，結構承載力大幅下降，結構對初始幾何缺陷異常敏感。提出了考慮結構初始幾何缺陷影響的自由曲面空間結構形態優化方法。該方法基于NURBS曲面，通過調節彎曲應變能和總應變能比例關系，降低優化后結構對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構形態。
圖1 考慮空間網格結構整體穩定缺陷敏感性影響的自由曲面形態構建設計方法
（2）鑄造缺陷及鑄鋼材料力學性能研究。從宏觀和細觀尺度，通過對大樣本量的鑄鋼材料試件和鑄鋼節點試件運用超聲波、X射線斷層掃描、鑄造過程數值模擬等手段，測量和統計分析了鑄造缺陷，采用概率論和數理統計的方法建立了鑄造缺陷分布概率模型。研究了單個及多個宏觀缺陷的尺寸大小、位置、分布情況等因素對鑄鋼節點及含鑄鋼節點鋼結構的靜力學性能和疲勞性能的影響。研究了載荷作用下鑄鋼材料中細觀缺陷演化過程，揭示了材料的變形與破壞機制，建立了考慮細觀損傷演化的鑄鋼材料本構模型，為鑄鋼件承載能力計算提供了更精確的力學理論和方法。相關研究結論為鑄鋼節點的鑄造缺陷質量等級評定方法改進提供了重要依據。
圖2足尺鑄鋼節點切片試驗
圖3 細觀X射線斷層掃描
圖4 損傷演化本構模型
（3）鑄鋼節點焊接殘余應力分布及焊縫斷裂性能和疲勞壽命評估。對鑄鋼節點環形對接焊縫的力學性能進行了大量基礎性試驗，提供了疲勞壽命曲線等工程應用數據。根據國內外常用的鑄鋼節點焊接形式，設計了多種不同焊接細節的焊縫試件進行試驗，擬合試驗數據給出各種焊縫的S-N曲線和P-S-N曲線，為工程應用提供了重要數據。通過試驗，揭示了鑄鋼節點連接焊縫的破壞機理和設計不足，為改進焊縫設計提供了依據。
圖5 焊縫材料填充過程動態模擬
圖6 焊縫材料填充過程動態模擬
圖7 擴展有限元實現焊縫斷裂性能分析
（4）鑄鋼節點優化設計研究。針對鑄鋼節點中鑄鋼材料和連接焊縫兩者的強度不平衡問題，建立了以焊縫強度控制的鑄鋼材料初始缺陷尺寸計算方法，實現了鑄鋼節點的優化設計。提出了基于疲勞性能的鑄鋼節點優化設計方法，以節點質量最小為優化目標，以鑄鋼抗疲勞損傷限值為約束條件，并充分考慮鑄鋼節點的鑄鋼材料部分與環形對接焊縫的抗疲勞性能要求。通過靈敏度分析方法篩選參數，采用組合優化設計策略，構造最優拉丁超立方試驗矩陣全局抽樣，采用非線性序列二次規劃法局部尋優，對設計參數進行優化，通過熱點應力法計算優化后的鑄鋼節點環形對接焊縫的疲勞壽命，對不滿足疲勞壽命要求的焊縫局部參數進行修正，最終完成優化目標。
圖8 節點優化設計
四、推廣應用情況
發表SCI論文100篇，一級學報論文11篇，撰寫專著3部，納入國家、行業、協會和地方標準8部，獲得發明專利20項和軟件著作權14項。成果應用于蘇州中環天幕鋼結構和深圳大運會體育場等幾十座標志性空間網格結構工程，為提高我國大跨空間網格結構設計和建造水平提供了先進理論與系列技術。
圖9 蘇州中環天幕鋼結構
