专利名称：确定索杆梁系空间结构放样态的形态分析逆迭代法的制作方法
技术领域：
本发明属于索杆梁系结构设计和施工的数值模拟分析领域，涉及ー种利用非线性有限元逆迭代法确定索杆梁系结构(如张弦桁架、索承网壳和索桁等)的放样态(零状态)几何构形和预张カ控制方案的方法。
背景技术：
索杆梁系是由索、压杆和梁三种结构元素杂交而成的结构系统，是ー种新型的空间钢结构体系，由于其具有结构形式新颖、跨越能力大、受カ性能优良等优点，近年来在众多体育场馆、会展中心和侯车(机)大厅等公共建筑中得到越来越多的应用。与索穹顶或索网等柔性张拉体系相比，索杆梁系结构是ー种典型的半刚性结构体系。由于梁系结构的存在，増加了整体结构的刚度和稳定性，使其设计、施工及节点构造等与全柔性张拉体系相比都得到了较大的简化；下部的柔性索杆体系由拉索和压杆构成，用以引入预应カ以提升结构的刚度和跨越能力。因此，索杆梁系结构体系充分体现了“刚柔相济”力学概念和思想的应用。由于下部柔性索杆体系需要通过逐步引入预应カ以使整体结构张拉成型，因此，索杆梁系结构的设计或施工过程中必须明确以下三种状态(I)放样态(零状态)上部梁系和下部索杆体系安装就位但无自重和预应力作用的放样状态；(2)设计态下部索杆体系张拉完成后，整体结构在自重和预应力作用下的平衡状态；(3)荷载态索杆梁系结构在设计态的基础上，承受外部荷载(风、雪、地震、温度等)时的受力状态。由于设计态是荷载态的基础，因此设计师期望通过综合运用各种设计和施工技术确保结构在设计态的几何构型和预应カ分布。而设计态的准确实现，则需要对结构的放样态及其预张カ控制方案进行精确计算。因此，索杆梁系结构形态分析主要就是依据设计态下的几何构型和预应カ分布逆向求解结构的几何放样状态(“找形”)及预张カ控制方案(“找力”)。结构形态分析常用的方法有动カ松弛法、力密度法和非线性有限元逆迭代法。然而，前两种方法一般仅用于全柔性张拉结构的初始形状确定，没有涉及到预张カ控制方案的确定以及施工进程影响的考虑，且计算效率较低，无法直接用于具有半刚性特征的索杆梁系结构。非线性有限元逆迭代法，则是依据设计态假定结构的某种几何形状与预张カ方案作为结构的放样态并建立有限元模型，然后采用非线性有限元分析对结构由近似放样态至近似设计态的成形过程进行精确模拟，获得近似设计态的几何构形与预应カ分布，并与事先设定的设计态的相应数值进行比较，依据其差异情况逆向修正近似放样态的几何构形与预张カ方案，从而进行循环迭代分析，直至满足预设的误差精度。由于非线性有限元逆迭代法可基于现有的成熟的有限元分析技术，因此具有较高的求解效率与较强的可实现性。但是，索杆梁系结构由放样态张拉成型至设计态需要经历一系列施工エ序(包括临时支撑系统、张拉顺序、张拉方法等)组成的施工进程，施工进程的不同将会影响到设计态的实现結果。本发明提出的形态分析逆迭代法通过生死単元法正向模拟施工进程影响，形态补偿法逆向修正放样态几何构形和预张カ方案，通过正向-逆向的循环迭代，使近似放样态的正向张拉分析结果逐步收敛于预定的设计态，从而最終得到精确的放样态几何构形与预张カ控制方案。因此，索杆梁系结构的形态分析必须考虑施工进程參数的影响，以确保设计态的精确实现。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种确定索杆梁系空间结构放样态的形态分析逆迭代法。技术方案本发明的考虑施工进程影响的形态分析逆迭代法确定索杆梁系结构放样态几何构形和预张カ控制方案的具体过程包括如下步骤I)分析准备明确索杆梁系结构的设计态的节点坐标{D}T、设计态的目标预应力{Ρ}τ、拟采用的施工进程方案以及约束条件和材料參数，并设定逆迭代分析循环终止阈值，所述逆迭代分析循环终止阈值包括几何阈值ε D和张カ阈值ερ;2)建立索杆梁系结构有限元模型首先，以索杆梁系结构结构节点坐标{D}k+1建立有限元模型的所有节点；然后，按照拉索的张カ等效应变{S}k+1、材料參数以及施工进程方案建立有限元模型的所有単元；最后，依据约束条件对部分节点施加约束；其中，{D}k+1={D}k+{d}k，{d}k = {D}T-{DD}k，{S}k+1 = {S}k+{p}k/EA，E 和 A 分别是拉索的弹性模量和截面积，{p}k= {P}T_{PP}k，所述_}k为上一次迭代中的求解后节点坐标所述{PP}k为上一次迭代中的求解后拉索张力，k为迭代次数，没有迭代时k = O,以设计态的节点坐标{D}T作为放样态的初始节点坐标{Dh，以设计态的目标预应力{P} M乍为放样态的初始拉索张カ来计算初始等效应变{sh = {P} Vea ；3)将所述步骤2)中得到的有限元模型输入到有限元分析软件中进行非线性有限元分析，得到施工成形时的求解后节点坐标{DD}k和求解后拉索张力{PP}k;4)逆向修正及迭代分析令{d}k = {D}T_{DD}k，{p}k = {P}T-{PP}k，判断(I {d}kl I l|{p}kll ^^是否小于レぃερ);若是，则迭代结束，将节点坐标{D}k和拉索张力{p}k作为放样态输出；若否，则返回步骤2)。本发明中，步骤3)中的非线性有限元分析是考虑施工进程的非线性有限元分析，具体步骤为3a) “杀死”索杆梁系结构所有単元；3b)依据施工进程方案将索杆梁系结构成形过程划分为N个施工阶段；3c)依次对第i个施工阶段进行如下操作，i = 1,2,…，N :“激活”该施工阶段的単元，施加本施工阶段的荷载及拉索的张カ等效应变，然后用有限元分析软件进行非线性有限元计算 ’从第2个施工阶段起，所述的操作都是在上一施工阶段的操作基础上进行的；第N个施工阶段操作完毕后，提取本施工阶段的非线性有限元计算结果作为施工成形时的求解后节点坐标{DD}k和求解后拉索张力{PP}k。本发明中步骤I)的各个參数都由工程设计人员根据国家相关规范和工程实践设定的，在本发明中是已知的參数；步骤I)步中的施工进程方案应包括索杆梁系结构施工过程中的临时支撑位置及其刚度、上部网壳和下部索杆体系的拼装方案、下部索杆体系的张拉方案。步骤2)步中在计算模型中模拟临时支撑吋，由于支撑是索杆梁系结构张拉未成形时的临时支座，实际工程中一般忽略其轴向变形(即轴向刚度趋近无穷大)，同时应能提供一定的抗弯刚度，以维持临时支撑的抗侧稳定。因此，在索杆梁系结构的计算模型中，支撑单元模拟可采用同时具备无穷轴向刚度与真实抗弯刚度的组合单元，其刚度矩阵Kz如下
权利要求
1.一种确定索杆梁系空间结构放样态的形态分析逆迭代法，其特征在于，该逆迭代法包括以下步骤 1)分析准备明确索杆梁系结构的设计态的节点坐标{D}T、设计态的目标预应力{Ρ}τ、拟采用的施工进程方案以及约束条件和材料参数，并设定逆迭代分析循环终止阈值，所述逆迭代分析循环终止阈值包括几何阈值ε D和张力阈值ερ; 2)建立索杆梁系结构有限元模型首先，以索杆梁系结构结构节点坐标{D}k+1建立有限元模型的所有节点；然后，按照拉索的张力等效应变{S}k+1、材料参数以及施工进程方案建立有限元模型的所有单元；最后，依据约束条件对部分节点施加约束；其中，{D}k+1 = {D}k+{d}k，{d}k = {D}T-{DD}k，{S}k+1 = {S}k+{p}k/EA，E 和 A 分别是拉索的弹性模量和截面积，{p}k= {P}T_{PP}k，所述{DD}k为上一次迭代中的求解后节点坐标所述{PP}k为上一次迭代中的求解后拉索张力，k为迭代次数，没有迭代时k = O，以设计态的节点坐标{D}T作为放样态的初始节点坐标{Dh，以设计态的目标预应力{P}M乍为放样态的初始拉索张力来计算初始等效应变(Sl1 = {P} Vea ； 3)将所述步骤2)中得到的有限元模型输入到有限元分析软件中进行非线性有限元分析，得到施工成形时的求解后节点坐标{DD}k和求解后拉索张力{PP}k; 4)逆向修正及迭代分析令{d}k={D}T-{DD}k，{p}k= {P}T_{PP}k，判断(I I {d}k| I ①，I{p}kl I -)是否小于(eD，ερ);若是，则迭代结束，将节点坐标{D}k和拉索张力{P}k作为放样态输出；若否，则返回步骤2)。
2.根据权利要求I所述的一种确定索杆梁系空间结构放样态的形态分析逆迭代法，其特征在于，所述步骤3)中的非线性有限元分析是考虑施工进程的非线性有限元分析，具体步骤为 3a) “杀死”索杆梁系结构所有单元； 3b)依据施工进程方案将索杆梁系结构成形过程划分为N个施工阶段 3c)依次对第i个施工阶段进行如下操作，i = 1,2,…，N 激活”该施工阶段的单元，施加本施工阶段的荷载及拉索的张力等效应变，然后用有限元分析软件进行非线性有限元计算；从第2个施工阶段起，所述的操作都是在上一施工阶段的操作基础上进行的；第N个施工阶段操作完毕后，提取本施工阶段的非线性有限元计算结果作为施工成形时的求解后节点坐标{DD}k和求解后拉索张力{PP}k。
全文摘要
本发明提供了一种确定索杆梁系空间结构放样态的形态分析逆迭代法，该方法采用考虑施工进程的非线性有限元逆迭代法，在假定近似放样态的基础上，通过生死单元法正向模拟施工进程影响，形态补偿法逆向修正放样态几何构形和预张力方案，通过正向-逆向的循环迭代，使近似放样态的正向张拉分析结果逐步收敛于预定的设计态，从而最终得到精确的放样态几何构形与预张力控制方案。
文档编号G06F17/50GK102622485SQ20121006972
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者冯玉龙, 吴京, 周臻, 孟少平, 王永泉 申请人:东南大学