索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法技术

本发明专利技术涉及建筑工程的结构设计技术领域，尤其是涉及索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法及相关程序编制和开发。采用本发明专利技术方法，能够在基于固定边界完成索结构形态分析后，通过采取处理措施消除弹性边界的影响，使整体结构初始态中的索结构位形和预应力与固定边界下的结果一致，同时使边界结构位形吻合目标位形。当固定边界下索结构形态分析得到的初始态位形和预应力满足目标要求时，则按照本发明专利技术方法得到的整体结构初始态位形和预应力也完全满足目标要求。

【技术实现步骤摘要】
索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法
本专利技术涉及建筑工程的结构设计
，具体涉及索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法及相关程序编制和开发。
技术介绍
索结构是一类由只可受拉的索和既可受拉、又可受压的杆组成的结构，常见形式有单层索网、索桁架结构、索穹顶结构等。这类结构需要通过引入预应力来达到稳定状态，进而建立刚度、形成承载能力。可以在结构中存在的预应力并非任意的，而是与结构位形、刚度要求直接相关。求解满足目标要求的结构位形及相应预应力的过程称作形态分析。索结构在分析设计中存在三种状态：(1)零状态，即按照几何原则建立、未执行计算的结构模型；(2)初始态，即在零状态基础上，考虑预应力、结构自重等因素，计算得到的结构平衡状态；(3)荷载态，即在初始态基础上施加后续荷载和作用，计算得到的结构平衡状态。初始态的位形和预应力即为索结构形态分析求解的对象，需要满足目标要求。在形态分析中，通常首先假定索结构支承于固定支座上，基于固定边界来求解初始态位形和预应力，并使之满足目标要求。而在现实情况中，索结构通常支承在周边由钢结构和(或)混凝土结构组成的边界结构上，由于边界结构的刚度有限，会在索力作用下产生变形，因此索结构支承条件更接近弹性边界。为了较准确地反映整体结构的受力状态，需要将索结构和边界结构合并为整体结构模型，并计算整体结构初始态，作为荷载态计算的基础。计算整体结构初始态时，如果直接采用固定边界条件下索结构形态分析得到的零状态位形和初应变，则边界结构在索力作用下的变形会影响整体结构初始态中的索结构位形和预应力，使其偏离固定边界下的结果。当固定边界条件下的形态分析结果满足目标要求时，则整体结构初始态将与目标要求产生偏差。因此，在求解整体结构初始态的过程中，需要采取措施消除弹性边界的影响，使整体结构初始态中的索结构位形和预应力保持与固定边界下的结果一致，从而达到设计目标。公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术的总体
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的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法，能够在基于固定边界完成索结构形态分析后，通过采取处理措施消除弹性边界的影响，使整体结构初始态中的索结构位形和预应力与固定边界下的结果一致，同时使边界结构位形吻合目标位形。当固定边界下索结构形态分析得到的初始态位形和预应力满足目标要求时，则按照本专利技术方法得到的整体结构初始态位形和预应力也完全满足目标要求。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法，其包括如下步骤：S1、建立单独的索结构模型，将索结构与边界结构共有的节点称为连接节点，并将与连接节点直接相连的索单元称为边界索单元；单独的索结构模型中，连接节点的位置以边界结构的目标位形为准，并设为固定支座；S2、基于固定边界进行单独索结构的形态分析，得到固定边界条件下的单独索结构零状态位形[Gc0]、索单元初应变{εi}和单独索结构初始态，其中单独索结构初始态的位形和预应力应满足目标要求；S3、提取单独索结构初始态的支座反力[R]、所有边界索单元的内力{Fct}和所有边界索单元另一端节点的位移[Dc]；其中{Fct}＝{…fkct…}，fkct为第k个边界索单元的内力；{Fct}将作为迭代修正边界索单元初应变时的目标索力；S4、建立单独的边界结构模型；S5、将单独索结构初始态的支座反力[R]反号，得到边界结构承受的索结构作用力－[R]，并施加到单独的边界结构模型的相应位置；S6、通过位形逆迭代对单独的边界结构模型进行预变形，预变形目标为，在结构自重和步骤S5中的索结构作用力－[R]下，边界结构平衡状态的位形与其目标位形一致；将预变形后的位形作为边界结构零状态位形[Gb0]；S7、提取步骤S6最后一轮逆迭代中所有连接节点的位移[Db]，包含节点的平动和转动；S8、根据步骤S2中的单独索结构零状态位形[Gc0]和步骤S6中的边界结构零状态位形[Gb0]，建立整体结构零状态模型，其中连接节点的坐标以边界结构零状态位形[Gb0]为准；S9、将步骤S2中的索单元初应变{εi}分为两组，即{εi}＝{{εi1}{εi2}}，分别输入整体结构零状态模型；{εi1}为所有边界索单元的初应变，{εi2}为其余索单元的初应变；其中，{εi1}＝{…εki1…}，εki1为第k个边界索单元的初应变；S10、将步骤S3提取的边界索单元另一端节点的位移[Dc]和步骤S7提取的连接节点位移[Db]，作为强制节点位移[Df]施加到整体结构零状态模型的相应位置；S11、通过初应变逆迭代对边界索单元的初应变{εi1}进行修正，修正目标为，在考虑结构自重、预应力和步骤S10中的强制节点位移[Df]时，整体结构平衡状态中边界索单元的内力等于目标索力{Fct}；S12、在步骤S11最后一轮逆迭代得到的整体结构平衡状态基础上，解除强制节点位移[Df]，计算得到整体结构初始态。进一步，步骤S6中通过位形逆迭代对单独的边界结构模型进行预变形，从而得到边界结构零状态位形[Gb0]的含义和具体方法为：A1、以矩阵[Gbt]表示边界结构的目标位形：同时以[Gbs]表示当前单独的边界结构模型的位形：其中为边界结构目标位形中第k个节点的坐标，为当前单独的边界结构模型中相应的第k个节点的坐标；A2、计算在自重和索结构作用力－[R]下的边界结构平衡状态的位形[Gbe]：其中为当前边界结构平衡状态位形中第k个节点的坐标；A3、计算[Gbe]与[Gbt]中相应节点的距离{ΔG}＝{…Δgk…}，其中若||{ΔG}||≤δ，则停止迭代，当前[Gbs]即为满足精度要求的边界结构零状态位形，即[Gb0]＝[Gbs]；若||{ΔG}||＞δ，则进入下一步；δ为预先设定的收敛精度；A4、求解[Gbe]相对[Gbt]的偏差[U]＝[Gbe]－[Gbt]；A5、将－[U]作为修正量，更新边界结构模型的位形[Gbs]为[Gbs]－[U]，然后返回步骤A2，进行新一轮迭代。通过上述步骤A1-A5的位形逆迭代过程得到的边界结构零状态位形，满足在自重和索结构作用力－[R]下，边界结构平衡状态位形与目标位形[Gbt]一致。进一步，步骤S11中通过初应变逆迭代对边界索单元的初应变{εi1}进行修正的含义和具体方法为：B1、考虑结构自重、预应力和强制节点位移[Df]，对整体结构零状态模型进行计算，提取整体结构平衡状态中所有边界索单元的内力{Fce}＝{…fkce…}，其中fkce为第k个边界索单元的内力；B2、计算{Fce}与目标索力{Fct}的差值{ΔF}＝{Fce}－{Fct}；若||{ΔF}||≤η，则停止迭代，当前{εi1}即为满足精度要求的边界索单元的初应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：/nS1、建立单独的索结构模型，将索结构与边界结构共有的节点称为连接节点，并将与连接节点直接相连的索单元称为边界索单元；单独的索结构模型中，连接节点的位置以边界结构的目标位形为准，并设为固定支座；/nS2、基于固定边界进行单独索结构的形态分析，得到固定边界条件下的单独索结构零状态位形[G

【技术特征摘要】
1.索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法，其特征在于，其包括如下步骤：
S1、建立单独的索结构模型，将索结构与边界结构共有的节点称为连接节点，并将与连接节点直接相连的索单元称为边界索单元；单独的索结构模型中，连接节点的位置以边界结构的目标位形为准，并设为固定支座；
S2、基于固定边界进行单独索结构的形态分析，得到固定边界条件下的单独索结构零状态位形[Gc0]、索单元初应变{εi}和单独索结构初始态，其中单独索结构初始态的位形和预应力应满足目标要求；
S3、提取单独索结构初始态的支座反力[R]、所有边界索单元的内力{Fct}和所有边界索单元另一端节点的位移[Dc]；其中{Fct}＝{…fkct…}，fkct为第k个边界索单元的内力；{Fct}将作为迭代修正边界索单元初应变时的目标索力；
S4、建立单独的边界结构模型；
S5、将单独索结构初始态的支座反力[R]反号，得到边界结构承受的索结构作用力－[R]，并施加到单独的边界结构模型的相应位置；
S6、通过位形逆迭代对单独的边界结构模型进行预变形，预变形目标为，在结构自重和步骤S5中的索结构作用力－[R]下，边界结构平衡状态的位形与其目标位形一致；将预变形后的位形作为边界结构零状态位形[Gb0]；
S7、提取步骤S6最后一轮逆迭代中所有连接节点的位移[Db]，包含节点的平动和转动；
S8、根据步骤S2中的单独索结构零状态位形[Gc0]和步骤S6中的边界结构零状态位形[Gb0]，建立整体结构零状态模型，其中连接节点的坐标以边界结构零状态位形[Gb0]为准；
S9、将步骤S2中的索单元初应变{εi}分为两组，即{εi}＝{{εi1}{εi2}}，分别输入整体结构零状态模型；{εi1}为所有边界索单元的初应变，{εi2}为其余索单元的初应变；其中，{εi1}＝{…εki1…}，εki1为第k个边界索单元的初应变；
S10、将步骤S3提取的边界索单元另一端节点的位移[Dc]和步骤S7提取的连接节点位移[Db]，作为强制节点位移[Df]施加到整体结构零状态模型的相应位置；
S11、通过初应变逆迭代对边界索单元的初应变{εi1}进行修正，修正目标为，在考虑结构自重、预应力和步骤S10中的强制节点位移[Df]时，整体结构平衡状态中边界索单元的内力等于目标索力{Fct}；
S12、在步骤S11最后一轮逆迭代得到的整体结构平衡状态基础上，解除强制节点位移[Df]，计算得到整体结构初始态。


2.根据权利要求1所述的索结构形态分析中弹性边界的一种处理方法，其特征在于，步骤S6中通过位形逆迭代对单独的边...

【专利技术属性】
技术研发人员：白光波，陈彬磊，朱忠义，王哲，邢珏蕙，王毅，
申请(专利权)人：北京市建筑设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11