專利名稱：確定索桿梁系空間結構放樣態的形態分析逆迭代法的制作方法
技術領域：
本發明屬于索桿梁系結構設計和施工的數值模擬分析領域，涉及ー種利用非線性有限元逆迭代法確定索桿梁系結構(如張弦桁架、索承網殼和索桁等)的放樣態(零狀態)幾何構形和預張カ控制方案的方法。
背景技術：
索桿梁系是由索、壓桿和梁三種結構元素雜交而成的結構系統，是ー種新型的空間鋼結構體系，由于其具有結構形式新穎、跨越能力大、受カ性能優良等優點，近年來在眾多體育場館、會展中心和侯車(機)大廳等公共建筑中得到越來越多的應用。與索穹頂或索網等柔性張拉體系相比，索桿梁系結構是ー種典型的半剛性結構體系。由于梁系結構的存在，増加了整體結構的剛度和穩定性，使其設計、施工及節點構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成，用以引入預應カ以提升結構的剛度和跨越能力。因此，索桿梁系結構體系充分體現了“剛柔相濟”力學概念和思想的應用。由于下部柔性索桿體系需要通過逐步引入預應カ以使整體結構張拉成型，因此，索桿梁系結構的設計或施工過程中必須明確以下三種狀態(I)放樣態(零狀態)上部梁系和下部索桿體系安裝就位但無自重和預應力作用的放樣狀態；(2)設計態下部索桿體系張拉完成后，整體結構在自重和預應力作用下的平衡狀態；(3)荷載態索桿梁系結構在設計態的基礎上，承受外部荷載(風、雪、地震、溫度等)時的受力狀態。由于設計態是荷載態的基礎，因此設計師期望通過綜合運用各種設計和施工技術確保結構在設計態的幾何構型和預應カ分布。而設計態的準確實現，則需要對結構的放樣態及其預張カ控制方案進行精確計算。因此，索桿梁系結構形態分析主要就是依據設計態下的幾何構型和預應カ分布逆向求解結構的幾何放樣狀態(“找形”)及預張カ控制方案(“找力”)。結構形態分析常用的方法有動カ松弛法、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構的初始形狀確定，沒有涉及到預張カ控制方案的確定以及施工進程影響的考慮，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構。非線性有限元逆迭代法，則是依據設計態假定結構的某種幾何形狀與預張カ方案作為結構的放樣態并建立有限元模型，然后采用非線性有限元分析對結構由近似放樣態至近似設計態的成形過程進行精確模擬，獲得近似設計態的幾何構形與預應カ分布，并與事先設定的設計態的相應數值進行比較，依據其差異情況逆向修正近似放樣態的幾何構形與預張カ方案，從而進行循環迭代分析，直至滿足預設的誤差精度。由于非線性有限元逆迭代法可基于現有的成熟的有限元分析技術，因此具有較高的求解效率與較強的可實現性。但是，索桿梁系結構由放樣態張拉成型至設計態需要經歷一系列施工エ序(包括臨時支撐系統、張拉順序、張拉方法等)組成的施工進程，施工進程的不同將會影響到設計態的實現結果。本發明提出的形態分析逆迭代法通過生死単元法正向模擬施工進程影響，形態補償法逆向修正放樣態幾何構形和預張カ方案，通過正向-逆向的循環迭代，使近似放樣態的正向張拉分析結果逐步收斂于預定的設計態，從而最終得到精確的放樣態幾何構形與預張カ控制方案。因此，索桿梁系結構的形態分析必須考慮施工進程參數的影響，以確保設計態的精確實現。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種確定索桿梁系空間結構放樣態的形態分析逆迭代法。技術方案本發明的考慮施工進程影響的形態分析逆迭代法確定索桿梁系結構放樣態幾何構形和預張カ控制方案的具體過程包括如下步驟I)分析準備明確索桿梁系結構的設計態的節點坐標{D}T、設計態的目標預應力{Ρ}τ、擬采用的施工進程方案以及約束條件和材料參數，并設定逆迭代分析循環終止閾值，所述逆迭代分析循環終止閾值包括幾何閾值ε D和張カ閾值ερ;2)建立索桿梁系結構有限元模型首先，以索桿梁系結構結構節點坐標{D}k+1建立有限元模型的所有節點；然后，按照拉索的張カ等效應變{S}k+1、材料參數以及施工進程方案建立有限元模型的所有単元；最后，依據約束條件對部分節點施加約束；其中，{D}k+1={D}k+ndr79rjk，3zz5vdfk = {D}T-{DD}k，{S}k+1 = {S}k+{p}k/EA，E 和 A 分別是拉索的彈性模量和截面積，{p}k= {P}T_{PP}k，所述_}k為上一次迭代中的求解后節點坐標所述{PP}k為上一次迭代中的求解后拉索張力，k為迭代次數，沒有迭代時k = O,以設計態的節點坐標{D}T作為放樣態的初始節點坐標{Dh，以設計態的目標預應力{P} M乍為放樣態的初始拉索張カ來計算初始等效應變{sh = {P} Vea ；3)將所述步驟2)中得到的有限元模型輸入到有限元分析軟件中進行非線性有限元分析，得到施工成形時的求解后節點坐標{DD}k和求解后拉索張力{PP}k;4)逆向修正及迭代分析令fddndhzk = {D}T_{DD}k，{p}k = {P}T-{PP}k，判斷(I jzxjrdvkl I l|{p}kll ^^是否小于レぃερ);若是，則迭代結束，將節點坐標{D}k和拉索張力{p}k作為放樣態輸出；若否，則返回步驟2)。本發明中，步驟3)中的非線性有限元分析是考慮施工進程的非線性有限元分析，具體步驟為3a) “殺死”索桿梁系結構所有単元；3b)依據施工進程方案將索桿梁系結構成形過程劃分為N個施工階段；3c)依次對第i個施工階段進行如下操作，i = 1,2,…，N :“激活”該施工階段的単元，施加本施工階段的荷載及拉索的張カ等效應變，然后用有限元分析軟件進行非線性有限元計算 ’從第2個施工階段起，所述的操作都是在上一施工階段的操作基礎上進行的；第N個施工階段操作完畢后，提取本施工階段的非線性有限元計算結果作為施工成形時的求解后節點坐標{DD}k和求解后拉索張力{PP}k。本發明中步驟I)的各個參數都由工程設計人員根據國家相關規范和工程實踐設定的，在本發明中是已知的參數；步驟I)步中的施工進程方案應包括索桿梁系結構施工過程中的臨時支撐位置及其剛度、上部網殼和下部索桿體系的拼裝方案、下部索桿體系的張拉方案。步驟2)步中在計算模型中模擬臨時支撐吋，由于支撐是索桿梁系結構張拉未成形時的臨時支座，實際工程中一般忽略其軸向變形(即軸向剛度趨近無窮大)，同時應能提供一定的抗彎剛度，以維持臨時支撐的抗側穩定。因此，在索桿梁系結構的計算模型中，支撐單元模擬可采用同時具備無窮軸向剛度與真實抗彎剛度的組合單元，其剛度矩陣Kz如下
權利要求
1.一種確定索桿梁系空間結構放樣態的形態分析逆迭代法，其特征在于，該逆迭代法包括以下步驟 1)分析準備明確索桿梁系結構的設計態的節點坐標{D}T、設計態的目標預應力{Ρ}τ、擬采用的施工進程方案以及約束條件和材料參數，并設定逆迭代分析循環終止閾值，所述逆迭代分析循環終止閾值包括幾何閾值ε D和張力閾值ερ; 2)建立索桿梁系結構有限元模型首先，以索桿梁系結構結構節點坐標{D}k+1建立有限元模型的所有節點；然后，按照拉索的張力等效應變{S}k+1、材料參數以及施工進程方案建立有限元模型的所有單元；最后，依據約束條件對部分節點施加約束；其中，{D}k+1 = {D}k+fx51ddtk，33fp57zk = {D}T-{DD}k，{S}k+1 = {S}k+{p}k/EA，E 和 A 分別是拉索的彈性模量和截面積，{p}k= {P}T_{PP}k，所述{DD}k為上一次迭代中的求解后節點坐標所述{PP}k為上一次迭代中的求解后拉索張力，k為迭代次數，沒有迭代時k = O，以設計態的節點坐標{D}T作為放樣態的初始節點坐標{Dh，以設計態的目標預應力{P}M乍為放樣態的初始拉索張力來計算初始等效應變(Sl1 = {P} Vea ； 3)將所述步驟2)中得到的有限元模型輸入到有限元分析軟件中進行非線性有限元分析，得到施工成形時的求解后節點坐標{DD}k和求解后拉索張力{PP}k; 4)逆向修正及迭代分析令jpfx7lnk={D}T-{DD}k，{p}k= {P}T_{PP}k，判斷(I I vzn7vhrk| I ①，I{p}kl I -)是否小于(eD，ερ);若是，則迭代結束，將節點坐標{D}k和拉索張力{P}k作為放樣態輸出；若否，則返回步驟2)。
2.根據權利要求I所述的一種確定索桿梁系空間結構放樣態的形態分析逆迭代法，其特征在于，所述步驟3)中的非線性有限元分析是考慮施工進程的非線性有限元分析，具體步驟為 3a) “殺死”索桿梁系結構所有單元； 3b)依據施工進程方案將索桿梁系結構成形過程劃分為N個施工階段 3c)依次對第i個施工階段進行如下操作，i = 1,2,…，N 激活”該施工階段的單元，施加本施工階段的荷載及拉索的張力等效應變，然后用有限元分析軟件進行非線性有限元計算；從第2個施工階段起，所述的操作都是在上一施工階段的操作基礎上進行的；第N個施工階段操作完畢后，提取本施工階段的非線性有限元計算結果作為施工成形時的求解后節點坐標{DD}k和求解后拉索張力{PP}k。
全文摘要
本發明提供了一種確定索桿梁系空間結構放樣態的形態分析逆迭代法，該方法采用考慮施工進程的非線性有限元逆迭代法，在假定近似放樣態的基礎上，通過生死單元法正向模擬施工進程影響，形態補償法逆向修正放樣態幾何構形和預張力方案，通過正向-逆向的循環迭代，使近似放樣態的正向張拉分析結果逐步收斂于預定的設計態，從而最終得到精確的放樣態幾何構形與預張力控制方案。
文檔編號G06F17/50GK102622485SQ20121006972
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者馮玉龍, 吳京, 周臻, 孟少平, 王永泉 申請人:東南大學