[發明專利]一種基于索穹頂張拉和承載全過程分析的預應力確定方法

有效

• 申請號: 201210095743.2
• 申請日: 2012-04-04
• 公開（公告）號: CN102720295A
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發明（設計）人: 葛家琪;張國軍;王樹;馬伯濤;劉鑫剛
• 申請（專利權）人: 中國航空規劃建設發展有限公司
• 主分類號: E04B7/14
• 分類號: E04B7/14
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種土木工程結構設計方法，特別是涉及一種索穹頂結構預應力確定方法。

?

背景技術

索穹頂結構是一種整體張拉結構，處于全張力狀態，由連續的拉索和不連續的壓桿組成，連續的拉索構成了張力的海洋，使整個結構處于連續的張力狀態。索單元及索穹頂結構在未施加預應力前是幾乎沒有自然剛度的，它們的剛度完全由預應力提供。索穹頂結構設計的關鍵技術問題就是索穹頂結構體系明確后，各部分索系預應力的確定。目前國內外關于索穹頂方面的文獻資料，多局限于力學性能的研究，預應力確定方法的研究限于初始預應力分布方面的理論研究，如采用力密度法、動力松弛法、不平衡力迭代法或采用整體可行預應力的概念進行求解等，但尚未有能直接應用到工程實踐的索穹頂預應力確定實用方法。

?

發明內容

技術問題

索穹頂結構的預應力張拉過程是幾何體系由機構變成結構體系的過程。設計不僅要考慮索穹頂張拉成形后，滿足結構承載能力和變形性能要求，還必須要滿足建筑排水和排雪等功能要求和建筑幾何造型的要求。從工程角度提出一套切實可行的預應力確定方法成為索穹頂設計亟待解決的問題。預應力的確定包括預應力在索穹頂各索系中的分布布置及各索預應力值大小的確定。

技術方案

索穹頂設計時，建筑預先給定結構幾何形態，而且要求張拉成形后索穹頂保持幾何形態基本不變。

本發明的特征在于：在索穹頂張拉施工和承載全過程分析基礎上，提出一種預應力的確定方法，確保結構不僅能滿足結構受力和變形性能，而且能滿足建筑要求的幾何形態。所述方法按如下步驟實現：

第（1）步：根據建筑幾何造型要求和建筑功能要求（包括排水、排雪等）確定索穹頂結構的初始幾何形態，比如為球面、橢球面穹頂造型等。其中初始幾何形態為索穹頂上表面形成的幾何形狀，此時的幾何形狀為索穹頂沒有預應力也沒有承受荷載的一種幾何形態，根據設計要求，索穹頂建成后的形態應滿足該幾何形態。

第（2）步：在模型計算中，采用給索施加初應變或施加負溫度的方法，進行索穹頂張拉仿真分析，通過計算確定P₀（P₀為各組索施加不同的預應力向量），使索穹頂結構在P₀和結構自重下共同作用下，經幾何非線性靜力計算得到的結構平衡形態。

張拉找形仿真分析可采用非線性有限元方法等。本步驟P₀的確定可以采用反復試算的方法，也可以采用力密度法、動力松弛法或采用整體可行預應力的概念進行求解。

第（3）步：判定第（2）步計算出的結構在P₀和結構自重下共同作用下的成形態是否滿足建筑要求的幾何形態；如果滿足建筑要求的幾何形態，則定義此時的P₀為初始預應力；否則，要修改P₀值，重新進行計算，直到滿足建筑造型要求為止。確定初始預應力P₀作為索穹頂結構預應力初始分布及其大小。

第（4）步：以P₀為基本模數逐級加大預應力，采用荷載增量法進行結構承載全過程彈塑性和幾何非線性仿真分析，從設計荷載逐步增加至索穹頂結構部分索退出工作，最后到環索進入材料屈服，結構不能再承受荷載。

第（5）步：根據第（4）步仿真分析計算結果，繪制結構位移-承載全過程曲線和應力-承載全過程曲線；

第（6）步：根據全過程曲線得出結構在不同倍數P₀預應力下的穩定承載能力和結構變形能力。

結構性能評價應包括考慮合理安全系數后的彈性承載能力、索屈服承載能力和結構破壞極限承載能力。

第（7）步：評價不同倍數P₀預應力下結構承載力和結構變形性能是否滿足結構設計性能目標要求。在相應階段的結構性能設計目標是根據具體工程考慮安全性能和經濟性能確定的，并符合相關規范。

第（8）步：根據第（7）步評價結果，確定設計預應力P合理取值范圍。

第（9）步：復核索穹頂結構在設計預應力P和設計荷載標準組合作用下計算出結構的荷載平衡形態，是否滿足建筑要求的幾何形態。如果不滿足，則在前面確定的預應力P取值范圍內適當調整，重新復核，直至滿足。

根據多個算例的計算結果，經過前面8步得到的設計預應力P基本都能夠滿足建筑造型和功能要求。

第（10）步：經過前面9步，確定索穹頂設計預應力P值及其分布。

有益效果