基于数字孪生的索膜结构构件失效机制研究

摘要

索膜结构在运维过程中容易受到风荷载、温度等外界环境因素的影响，导致节点松动、构件失效进而严重影响了结构的安全性能．如何实现结构服役期安全状态的精准仿真，有效提高结构的抗倒塌性能，同时降低健康监测的成本是实现索膜结构智慧运维所面临的关键问题．本文提出了基于数字孪生的索膜结构构件失效机制分析方法．首先从几何和物理两个层面修正虚拟模型，形成高保真的数字孪生模型的建立方法，从而高效精准地映射结构受力状态．其次，在孪生模型的基础上，给出构件失效前后力学响应的分析流程．在孪生模型中设置构件失效工况，获取结构的力学响应规律．根据失效前后结构力学性能的变化情况，计算构件重要性系数，捕捉关键受力构件．在关键构件失效后分析结构内力分布情况，得到结构倒塌前的传力机理．以长春东收费罩棚索膜结构为研究对象进行方法应用，验证了理论方法的可行性．案例应用结果表明：所建立的孪生模型可以有效仿真结构的受力状态，计算误差在3%以内；通过分析各类构件失效后的结构力学性能得到了力学响应表现规律和关键受力构件；基于关键受力构件失效前后的力学响应，建立了传力机理，获取了内力传递路径，明确了结构健康监测对象．本研究方法为制定结构安全的智慧运维策略和提高结构抗倒塌性能提供了可靠支撑．

关键词

索膜结构 / 数字孪生 / 构件失效 / 力学响应 / 传力机理

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52178095); 国家土建结构预制装配化工程技术研究中心资助项目(2023CPCCE-K01)