[發明專利]一種車輻式索網的直接找形方法

有效

• 申請號: 201910716660.2
• 申請日: 2019-08-05
• 公開（公告）號: CN110502810B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 吳小賓;陳強;陳志強;謝俊喬
• 申請（專利權）人: 中國建筑西南設計研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/13;G06F30/18;G06F17/12;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 劉凱

本發明公開了一種車輻式索網的直接找形方法，本發明的方法具體可概括為主要針對車輻式單層、雙層或單雙層混合索網結構，利用初始平面節點坐標，根據自由節點x、y方向力平衡條件直接求取單元力密度向量，再合理設置徑向索索間構件內力與內環撐桿內力的比例關系以及內環撐桿高度，并結合自由節點z方向力平衡條件，即可一次性求得車輻式索網結構的自由節點z坐標、徑向索索間構件內力以及內環撐桿內力。本發明的方法概念明確，計算流程簡潔，無需迭代求解方程組，可應用于車輻式索網等大跨建筑結構的找形分析。

技術領域

本發明屬于建筑工程的結構設計領域，具體涉及一種車輻式索網的直接找形方法。

背景技術

車輻式索網結構是一種新型的高效結構形式，可劃分為單層、雙層、以及單、雙層混合索網。這種索網結構由徑向索、環索，以及徑向索間撐桿(或吊索)、內環撐桿組成。車輻式索網結構內部只存在拉力和壓力這兩種軸心受力方式，結構中不存在受彎構件，這樣的受力方式使得建筑材料在索網結構中得到最大化利用。此類結構形式具有自重輕、適用跨度大、施工方便、建筑效果美觀簡潔等特點，已廣泛應用于各類大跨度建筑，特別是體育場館建筑中。

車輻式索網結構無預應力時為幾何可變體系，只有對其施加預應力后才能形成結構剛度，成為幾何不變體系。結構初始預應力對結構形態和結構剛度起著決定性作用，同時結構形態又影響結構受拉單元、受壓單元的預應力分布，結構形態和結構預應力分布高度關聯、相互影響。由已知結構構件預應力分布求解結構形狀的過程稱為找形，由已知結構形狀求解結構構件預應力分布的過程稱為找力，一般情況下，找形、找力統稱為找形。常用的找形方法有力密度法、動力松弛法、非線性有限元法。

建筑領域的車輻式索網結構不但是具有預應力的自平衡體系，而且需滿足一定的幾何外觀要求，主要可分為2類：

1)內環撐桿高度。為使內環撐桿規格統一，其撐桿高度相等；或者為滿足內環外觀的變化，其撐桿高度為一組連續變化的數值；極端情況下，部分區域內環撐桿高度為零，此區域退化為車輻式單層索網，整體結構演變為車輻式單、雙層混合索網。

2)徑向索的凹凸程度。車輻式索網的上、下徑向索一般需通過吊索或撐桿連接。吊索使得上徑向索下凹，撐桿使得上徑向索上凸，其凹凸程度可通過徑向索間的吊索(或撐桿)內力調節。

發明內容

本發明的目的在于：針對上述車輻式結構找形設計的特點，提出了一種直接找形方法，使其不但能形成自平衡體系，而且滿足一定的建筑造型和預應力分布要求。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種車輻式索網的直接找形方法，其特征在于：所述方法包括如下步驟：

1)建立索網結構模型，對結構單元、節點進行編號，構建索網結構關聯矩陣C_s；

2)利用索網自由節點平面坐標，形成以單元力密度向量為未知量的自由節點力平衡方程組Ⅰ：

其中A、分別為結構平衡矩陣、節點荷載向量；

3)直接求解平衡方程組Ⅰ，得到對應的上、下弦索網力密度向量：

其中，α_u、α_l分別為索網上、下弦力密度向量的比例系數，α_u、α_l決定了整體結構的預應力度，v₀為矩陣A奇異值為0所對應的歸一化右特征向量，為方程組Ⅰ的特解；

4)利用單元力密度向量徑向索索間吊索(或撐桿)內力與內環撐桿內力關系、內環撐桿高度等限制條件形成以自由節點z坐標、徑向索索間吊索(或撐桿)以及內環撐桿內力為未知量的自由節點力平衡方程組Ⅱ：