索—结构协同工作条件下索托结构的计算理论和塑性设计方法研究

索托结构是在综合斜拉和悬索结构的基础上，提出的一种新型空间张力结构体系。它应用在大跨结构中可有效的减少用钢量，提高结构的安全度。奥运配套工程北京曲棍球馆由于使用索托结构，其用钢量仅为普通钢结构(桁架、网架等)用钢量的1/3。目前索托结构的研究主要集中于结构的力学原理及施工工艺方面，面向工程设计的研究还很不充分。项目将开展索-结构协同工作条件下索托结构的计算理论和塑性设计方法研究，探索适合于索托结构的索体防护办法，开展索托节点的足尺模型试验，确定索托节点的有限元建模方法，得到满足工程精度并方便工程设计人员掌握的索托结构计算分析方法；通过理论分析、数值模拟得到索与结构协同工作条件下主体钢结构及索托索的设计方法；开展索托节点处局部索的疲劳性能试验，索托结构模型试验，并进行结构数值模拟，得出索托结构"强索，弱钢结构"的塑性设计方法，为索托结构的进一步推广应用提供基础。

索托结构是在综合斜拉和悬索结构的基础上，提出的一种新型空间张力结构体系。它应用在大跨结构中可有效的减少用钢量，提高结构的安全度。奥运配套工程北京曲棍球馆由于使用索托结构，其用钢量仅为普通钢结构(桁架、网架等)用钢量的1/3。项目的研究内容及成果如下：. (1) 针对索托节点的建模方法开展研究，对索托节点分别采用了自由度耦合法，自由度耦合加弹簧法、点—点接触法和不变刚度短梁法进行建模分析，并设计了索托结构的节点试验。研究表明：自由度耦合加弹簧方法可以模拟不同的摩擦系数；短梁方法可以通过改变短梁的长度和截面面积来调整索托节点处拉索的摩擦损失力。这两种方法能更好地模拟索托节点处的摩擦力，理论明确且计算简单方便，是相对较好的索托节点数值模拟方法。. (2) 对不同预应力水平情况下结构体系的受力性能进行分析。探讨了不同预应力水平下，结构体系变形和构件内力的变化规律。研究表明：索的预应力水平在0.４到０.６之间可对桁架挠度和杆件内力起到有效的控制作用，使桁架与柔性拉索协同工作。. (3) 初步提出了索托结构延性设计方法。为实现结构延性设计目标，利用有限元软件为索托桁架结构建立整体模型，进行了弹性静力分析、双非线性稳定分析和罕遇地震塑性时程分析。研究了初始索力和拉索截面对结构内力与稳定性的影响。对索托结构在罕遇地震下的响应进行了分析与验算。通过整个分析过程，提出了针对索托桁架结构的延性设计方法。. (4) 在试验研究方面开展了索托节点处局部索的疲劳试验。进行了拉索在一定应力比条件下，索钢转换节点索夹处加入不同垫层后的疲劳性能试验。研究表明：若钢索处于在高张拉应力状态下，并与连接件之间存在往复的摩擦滑移，钢索表面的镀层极易发生磨损，随后索丝钢基体表面暴露出来，索丝表面的损伤程度会明显加重。. 项目提出了"强索，弱钢结构"的索托结构延性设计方法，为索托结构的进一步推广提供了基础。