基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法技术

本发明专利技术涉及土木工程预应力索结构技术领域，特别是涉及基于上部网格初始位形平衡的下部索杆系形态确定方法。一般情况下，索结构设计先根据建筑内部空间功能要求及类似工程经验确定下部索杆系的位形后，然后通过找力分析确定其预应力。对于较为复杂的工程，仅通过找力分析是难以达到目标要求的。本发明专利技术提出了一种索杆系形态优化方法，在局部控制索力已知的前提下，采用迭代方法同时更新找形节点的坐标和找力单元的预张力，优化确定全局索杆系的位形和预应力，从而大大提高结构设计效率，实现基于上部网格初始位形的恒载平衡态，即在恒载和预应力共同作用下，上部网格的竖向位移接近0，上部网格的变形和受力最小。上部网格的变形和受力最小。上部网格的变形和受力最小。

【技术实现步骤摘要】
基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法


[0001]本专利技术涉及土木工程预应力索结构
，特别是涉及基于上部网格初始位形平衡的下部索杆系形态确定方法。

技术介绍

[0002]随着时代发展和社会进步，一些大型的公共建筑是国家或地区的文化符号和实力象征。大跨空间索结构以其外观可塑性强、结构材料充分利用等优点，成为现代社会营建大型公共建筑最热门的结构类型之一。现代索结构常采用高强拉索材料和预应力技术，优化结构性能，减轻结构自重，实现轻盈跨越大空间，如张弦桁架结构、弦支穹顶结构、索承网格结构、斜拉网格结构、索穹顶结构、索桁架结构、索网结构、悬索结构等，在大型体育场馆、会展中心、交通枢纽等得到了广泛的应用。其中张弦桁架结构、弦支穹顶结构、索承网格结构、索穹顶结构、索桁架结构等都属于双层结构体系，如：弦支穹顶结构和索承网格结构均由上部网壳和下部索杆系构成，通过预应力的施加，下部索杆系承托上部网壳，并为上部网壳提供弹性支承点；索穹顶结构和索桁架结构均由上部索网和下部索杆系构成，撑杆支承在上部和下部的拉索之间，通过预应力的施加，上部和下部的拉索预应力相互平衡。
[0003]大跨空间索结构在荷载作用下呈现几何非线性的特征，从初始几何经历大变形后达到平衡状态。在一般索结构设计中，上部网格的形状是由建筑设计确定的，而下部索杆系的形态(包括位形和预应力)则需要在结构设计中予以确定。通常情况下，索杆系形态设计的目标之一为：在结构恒载态(恒载和预应力共同作用下的平衡态)，上部网格的竖向位移接近0，即上部网格维持在初始位形，实现上部网格变形和受力最小。
[0004]为实现上述目标，不仅要调整索杆系的预应力，而且要调整索杆系的位形，前者属于找力分析的范畴，后者属于找形分析的范畴。一般情况下，先根据建筑内部空间功能要求及类似工程经验确定下部索杆系的位形后，然后通过找力分析确定其预应力。对于较为复杂的工程，仅通过找力分析是难以达到目标要求的。因此，需要反复调整索杆系的位形，这对结构设计效率有很大的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述问题提供了基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，其基本原理为：依据荷载和预应力共同作用下结构平衡态的位形和内力，同时更新索杆系的节点坐标和预应力，使索杆系的新预应力在新位形上平衡荷载，减小结构位移，循环迭代直至结构位移接近0，其中为控制总体预应力水平并获得唯一解，需在索杆系中合理选取力控单元施加已知预应力。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，步骤如下：
[0008]1)、建立双层索结构初始模型，并施加荷载、边界条件；
[0009]2)、选取模型中下部索杆系中的形控节点确定形控节点的形控方向，设置形控节点中迭代收敛值u
cvg
；
[0010]3)、选取模型中下部索杆系中的找形节点确定找形节点的找形方向；
[0011]4)、选取模型中下部索杆系中的力控单元采用小弹性模量法对其施加已知预应力为步骤1)中的施加的荷载；
[0012]5)、选取模型中下部索杆系中的找力单元在上施加预应力迭代初始值p
i(0)
；
[0013]6)、针对步骤1)、步骤4)、步骤5)中的模型、荷载、边界条件及找力单元中施加的预应力迭代初始值，进行首次几何非线性静力求解，获得结构变形后的平衡态；
[0014]7)、第k次迭代更新找形节点的坐标值c
i(k)
和找力单元的预应力p
i(k)
，具体迭代策略为：
[0015]对于找形节点：c
i(k)
＝c
i(k
‑
1)
+β
×
u
i(k
‑
1)
，其中c
i(k
‑
1)
和u
i(k
‑
1)
分别为第k
‑
1次迭代的第i个找形节点在找形方向上的坐标和位移；β为迭代加速系数，且β≥1.0；
[0016]对于找力单元：p
i(k)
＝σ
i(k
‑
1)
，其中σ
i(k
‑
1)
为第k
‑
1次迭代的第i个找力单元在平衡态的轴应力；
[0017]8)根据第k次迭代更新的找形节点坐标和找力单元预应力，进行第k+1次几何非线性静力求解，获得结构变形后的平衡态
[0018]9)、依据步骤2)中的迭代收敛值u
cvg
，判断是否满足收敛标准：若满足，则结束迭代；若不满足，则回到第7)步重新迭代。
[0019]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，迭代收敛标准为平衡态下的形控节点在形控方向上的最大位移
[0020]本年专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，所述的形控节点为下部索杆系中撑杆与上部网格连接的节点。
[0021]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，所述的找形节点为下部索杆系中撑杆与拉索连接的节点。
[0022]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，所述的找形方向可为单方向或多方向。
[0023]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，所述的力控单元为下部索杆系中在结构平衡态下已知轴力的索单元或杆单元。
[0024]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，所述的找力单元为下部索杆系中除力控单元以外的撑杆与拉索。
[0025]本专利技术所述的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，小弹性模量法是调整对应单元的材料弹性模量为小值，从而在双层索结构模型发生变形后，该单元两端节点发生相对位移所产生的弹性应力小，则对应单元的轴应力与所施加的预应力保持一致；力控单元e
ictrl
在平衡态下的轴应力σ
ictrl
恒等于已知的p
ictrl
，对应单元不受找力单元的预应力更新和找形节点的坐标更新的影响。
[0026]有益效果
[0027]本专利技术提供的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，提出了一种形态优化方法，在局部控制索力已知的前提下，同时进行全局索杆系位形和预应力的优化确定，从而实现基于上部网格初始位形的荷载平衡态，并大大提高结构设计效率。
[0028]本专利技术提供的基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，在局部控制索力已知的前提下，通过小弹性模量法，维持该处力控单元轴力恒定不变，采用迭代方法同时更新找形节点的坐标和找力单元的预应力，优化确定全局索杆系的位形和预应力，从而大大提高结构设计效率，实现基于上部网格初始位形的荷载平衡态，即本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于上部网格初始位形平衡的索结构索杆系形态确定方法，其特征在于：步骤如下：1)、建立双层索结构初始模型，并施加荷载、边界条件；2)、选取模型中下部索杆系中的形控节点确定形控节点的形控方向，设置形控节点中迭代收敛值u
cvg
；3)、选取模型中下部索杆系中的找形节点确定找形节点的找形方向；4)、选取模型中下部索杆系中的力控单元采用小弹性模量法对其施加已知预应力采用小弹性模量法对其施加已知预应力为步骤1)中的施加的荷载；5)、选取模型中下部索杆系中的找力单元在上施加预应力迭代初始值p
i(0)
；6)、针对步骤1)、步骤4)、步骤5)中的模型、荷载、边界条件及找力单元中施加的预应力迭代初始值，进行首次几何非线性静力求解，获得结构变形后的平衡态；7)、第k次迭代更新找形节点的坐标值c
i(k)
和找力单元的预应力p
i(k)
，具体迭代策略为：对于找形节点：c
i(k)
＝c
i(k
‑
1)
+β
×
u
i(k
‑
1)
，其中c
i(k
‑
1)
和u
i(k
‑
1)
分别为第k
‑
1次迭代的第i个找形节点在找形方向上的坐标和位移；β为迭代加速系数，且β≥1.0；对于找力单元：p
i(k)
＝σ
i(k
‑
1)
，其中σ
i(k
‑
1)
为第k<...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗斌，阮杨捷，张宁远，黄立凡，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：