[發(fā)明專利]確定索桿梁系空間結(jié)構(gòu)放樣態(tài)的形態(tài)分析逆迭代法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210069723.8
• 申請日: 2012-03-16
• 公開（公告）號: CN102622485A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周臻;馮玉龍;孟少平;吳京;王永泉
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于索桿梁系結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工的數(shù)值模擬分析領(lǐng)域，涉及一種利用非線性有限元逆迭代法確定索桿梁系結(jié)構(gòu)(如張弦桁架、索承網(wǎng)殼和索桁等)的放樣態(tài)(零狀態(tài))幾何構(gòu)形和預(yù)張力控制方案的方法。

背景技術(shù)

索桿梁系是由索、壓桿和梁三種結(jié)構(gòu)元素雜交而成的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是一種新型的空間鋼結(jié)構(gòu)體系，由于其具有結(jié)構(gòu)形式新穎、跨越能力大、受力性能優(yōu)良等優(yōu)點，近年來在眾多體育場館、會展中心和侯車(機(jī))大廳等公共建筑中得到越來越多的應(yīng)用。

與索穹頂或索網(wǎng)等柔性張拉體系相比，索桿梁系結(jié)構(gòu)是一種典型的半剛性結(jié)構(gòu)體系。由于梁系結(jié)構(gòu)的存在，增加了整體結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，使其設(shè)計、施工及節(jié)點構(gòu)造等與全柔性張拉體系相比都得到了較大的簡化；下部的柔性索桿體系由拉索和壓桿構(gòu)成，用以引入預(yù)應(yīng)力以提升結(jié)構(gòu)的剛度和跨越能力。因此，索桿梁系結(jié)構(gòu)體系充分體現(xiàn)了“剛?cè)嵯酀?jì)”力學(xué)概念和思想的應(yīng)用。

由于下部柔性索桿體系需要通過逐步引入預(yù)應(yīng)力以使整體結(jié)構(gòu)張拉成型，因此，索桿梁系結(jié)構(gòu)的設(shè)計或施工過程中必須明確以下三種狀態(tài)：(1)放樣態(tài)(零狀態(tài))：上部梁系和下部索桿體系安裝就位但無自重和預(yù)應(yīng)力作用的放樣狀態(tài)；(2)設(shè)計態(tài)：下部索桿體系張拉完成后，整體結(jié)構(gòu)在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的平衡狀態(tài)；(3)荷載態(tài)：索桿梁系結(jié)構(gòu)在設(shè)計態(tài)的基礎(chǔ)上，承受外部荷載(風(fēng)、雪、地震、溫度等)時的受力狀態(tài)。由于設(shè)計態(tài)是荷載態(tài)的基礎(chǔ)，因此設(shè)計師期望通過綜合運(yùn)用各種設(shè)計和施工技術(shù)確保結(jié)構(gòu)在設(shè)計態(tài)的幾何構(gòu)型和預(yù)應(yīng)力分布。而設(shè)計態(tài)的準(zhǔn)確實現(xiàn)，則需要對結(jié)構(gòu)的放樣態(tài)及其預(yù)張力控制方案進(jìn)行精確計算。因此，索桿梁系結(jié)構(gòu)形態(tài)分析主要就是依據(jù)設(shè)計態(tài)下的幾何構(gòu)型和預(yù)應(yīng)力分布逆向求解結(jié)構(gòu)的幾何放樣狀態(tài)(“找形”)及預(yù)張力控制方案(“找力”)。

結(jié)構(gòu)形態(tài)分析常用的方法有動力松弛法、力密度法和非線性有限元逆迭代法。然而，前兩種方法一般僅用于全柔性張拉結(jié)構(gòu)的初始形狀確定，沒有涉及到預(yù)張力控制方案的確定以及施工進(jìn)程影響的考慮，且計算效率較低，無法直接用于具有半剛性特征的索桿梁系結(jié)構(gòu)。非線性有限元逆迭代法，則是依據(jù)設(shè)計態(tài)假定結(jié)構(gòu)的某種幾何形狀與預(yù)張力方案作為結(jié)構(gòu)的放樣態(tài)并建立有限元模型，然后采用非線性有限元分析對結(jié)構(gòu)由近似放樣態(tài)至近似設(shè)計態(tài)的成形過程進(jìn)行精確模擬，獲得近似設(shè)計態(tài)的幾何構(gòu)形與預(yù)應(yīng)力分布，并與事先設(shè)定的設(shè)計態(tài)的相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行比較，依據(jù)其差異情況逆向修正近似放樣態(tài)的幾何構(gòu)形與預(yù)張力方案，從而進(jìn)行循環(huán)迭代分析，直至滿足預(yù)設(shè)的誤差精度。由于非線性有限元逆迭代法可基于現(xiàn)有的成熟的有限元分析技術(shù)，因此具有較高的求解效率與較強(qiáng)的可實現(xiàn)性。但是，索桿梁系結(jié)構(gòu)由放樣態(tài)張拉成型至設(shè)計態(tài)需要經(jīng)歷一系列施工工序(包括：臨時支撐系統(tǒng)、張拉順序、張拉方法等)組成的施工進(jìn)程，施工進(jìn)程的不同將會影響到設(shè)計態(tài)的實現(xiàn)結(jié)果。本發(fā)明提出的形態(tài)分析逆迭代法通過生死單元法正向模擬施工進(jìn)程影響，形態(tài)補(bǔ)償法逆向修正放樣態(tài)幾何構(gòu)形和預(yù)張力方案，通過正向-逆向的循環(huán)迭代，使近似放樣態(tài)的正向張拉分析結(jié)果逐步收斂于預(yù)定的設(shè)計態(tài)，從而最終得到精確的放樣態(tài)幾何構(gòu)形與預(yù)張力控制方案。因此，索桿梁系結(jié)構(gòu)的形態(tài)分析必須考慮施工進(jìn)程參數(shù)的影響，以確保設(shè)計態(tài)的精確實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是提供一種確定索桿梁系空間結(jié)構(gòu)放樣態(tài)的形態(tài)分析逆迭代法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的考慮施工進(jìn)程影響的形態(tài)分析逆迭代法確定索桿梁系結(jié)構(gòu)放樣態(tài)幾何構(gòu)形和預(yù)張力控制方案的具體過程包括如下步驟：

1)分析準(zhǔn)備：明確索桿梁系結(jié)構(gòu)的設(shè)計態(tài)的節(jié)點坐標(biāo){D}^T、設(shè)計態(tài)的目標(biāo)預(yù)應(yīng)力{P}^T、擬采用的施工進(jìn)程方案以及約束條件和材料參數(shù)，并設(shè)定逆迭代分析循環(huán)終止閾值，所述逆迭代分析循環(huán)終止閾值包括幾何閾值ε_D和張力閾值ε_P；