获奖项目名称:大跨空间网格结构形态构建、铸钢节点损伤评估及优化设计关键技术研究

　　主要完成单位:中建五局华东建设有限公司、中国建筑第五工程局有限公司、中铁建工集团有限公司、国网江苏省电力有限公司建设分公司、苏交科集团股份有限公司

　　主要完成人:郜江俊、冯若强、唐敏、芮兴龙、黄士君、赵坤、周小燕、张建成、刘凯、叶嵩

　　二、项目背景 

　　近年来，随着我国经济的快速发展和人们对大跨空间结构功能兼具美学的要求越来越高，集建筑、结构和使用要求一体化的地标性空间网格结构大量涌现。因此如何经济、合理、安全的设计和建造这些大跨空间网格结构就成为当务之急。结合数字化技术的空间结构形态创建设计方法、空间网格结构铸钢节点损伤评估及优化设计方法，开始出现并取得重要进展，成为其高水平、高质量、高效率、低成本地设计和建造大跨空间网格空间结构的利器。

　　三、创新成果  

　　（1）考虑空间网格结构整体稳定缺陷敏感性影响的自由曲面形态优化方法。传统结构形态优化中以结构应变能为优化目标，优化后结构以轴向应变能为主，结构名义承载力较高。但在考虑初始几何缺陷后，结构承载力大幅下降，结构对初始几何缺陷异常敏感。提出了考虑结构初始几何缺陷影响的自由曲面空间结构形态优化方法。该方法基于NURBS曲面，通过调节弯曲应变能和总应变能比例关系，降低优化后结构对初始几何缺陷的敏感性，得到考虑初始几何缺陷后仍具有较高承载力的结构形态。 

图1 考虑空间网格结构整体稳定缺陷敏感性影响的自由曲面形态构建设计方法

　　（2）铸造缺陷及铸钢材料力学性能研究。从宏观和细观尺度，通过对大样本量的铸钢材料试件和铸钢节点试件运用超声波、X射线断层扫描、铸造过程数值模拟等手段，测量和统计分析了铸造缺陷，采用概率论和数理统计的方法建立了铸造缺陷分布概率模型。研究了单个及多个宏观缺陷的尺寸大小、位置、分布情况等因素对铸钢节点及含铸钢节点钢结构的静力学性能和疲劳性能的影响。研究了载荷作用下铸钢材料中细观缺陷演化过程，揭示了材料的变形与破坏机制，建立了考虑细观损伤演化的铸钢材料本构模型，为铸钢件承载能力计算提供了更精确的力学理论和方法。相关研究结论为铸钢节点的铸造缺陷质量等级评定方法改进提供了重要依据。

图2足尺铸钢节点切片试验

图3 细观X射线断层扫描

图4 损伤演化本构模型

　　（3）铸钢节点焊接残余应力分布及焊缝断裂性能和疲劳寿命评估。对铸钢节点环形对接焊缝的力学性能进行了大量基础性试验，提供了疲劳寿命曲线等工程应用数据。根据国内外常用的铸钢节点焊接形式，设计了多种不同焊接细节的焊缝试件进行试验，拟合试验数据给出各种焊缝的S-N曲线和P-S-N曲线，为工程应用提供了重要数据。通过试验，揭示了铸钢节点连接焊缝的破坏机理和设计不足，为改进焊缝设计提供了依据。

图5 焊缝材料填充过程动态模拟

图6 焊缝材料填充过程动态模拟

图7 扩展有限元实现焊缝断裂性能分析

   （4）铸钢节点优化设计研究。针对铸钢节点中铸钢材料和连接焊缝两者的强度不平衡问题，建立了以焊缝强度控制的铸钢材料初始缺陷尺寸计算方法，实现了铸钢节点的优化设计。提出了基于疲劳性能的铸钢节点优化设计方法，以节点质量最小为优化目标，以铸钢抗疲劳损伤限值为约束条件，并充分考虑铸钢节点的铸钢材料部分与环形对接焊缝的抗疲劳性能要求。通过灵敏度分析方法筛选参数，采用组合优化设计策略，构造最优拉丁超立方试验矩阵全局抽样，采用非线性序列二次规划法局部寻优，对设计参数进行优化，通过热点应力法计算优化后的铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命，对不满足疲劳寿命要求的焊缝局部参数进行修正，最终完成优化目标。

图8 节点优化设计

　　四、推广应用情况 

　　发表SCI论文100篇，一级学报论文11篇，撰写专著3部，纳入国家、行业、协会和地方标准8部，获得发明专利20项和软件著作权14项。成果应用于苏州中环天幕钢结构和深圳大运会体育场等几十座标志性空间网格结构工程，为提高我国大跨空间网格结构设计和建造水平提供了先进理论与系列技术。

图9 苏州中环天幕钢结构