一种空间钢结构施工合拢温度确定方法及系统与流程

本发明涉及土木工程技术领域，具体涉及一种空间钢结构施工合拢温度确定方法及系统。

背景技术：

空间钢结构是一种覆盖跨度大，具有三维空间形态，且在荷载作用下具有三维空间受力特性的建筑结构，被广泛用于机场、展览中心以及大型剧院。空间钢结构是高次超静定结构，通常直接外露在太阳下，太阳辐射温度变化引起的钢结构变形包括轴向变形、弯曲变形和面外变形等，这些变形在多余约束下会引起温度内力，因此需要重点关注太阳辐射与温度场的关系。此外，温度反复变化会产生大的变形差，也会使结构构件发生疲劳破坏。由此可见，温度作用对结构的应力与疲劳有较大影响，开展温度作用研究对空间钢结构的设计与安全使用具有重要意义。

空间钢结构的温度作用是指温度差值，温度差值等于环境温度减去初始温度。对于有明确合拢阶段的空间钢结构而言，初始温度值就是结构的合拢温度。现阶段对空间钢结构合拢温度的取值一般是取合拢期间的平均温度，该取值方法略显粗糙，因此有必要对空间钢结构的合拢温度取值做进一步研究。通过研究空间钢结构的温度效应，可以反过来给出空间钢结构施工合拢温度的确定方法，该方法对结构在设计阶段温度作用取值的确定、施工阶段合拢温度的选取以及运营阶段安全性的提高具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间钢结构施工合拢温度确定方法及系统，以解决现有技术中合拢温度取值颗粒度大、精准度不高，导致的施工运营安全保障度低的问题。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种空间钢结构施工合拢温度确定方法，包括：

步骤s1、根据空间钢结构的环境温度工况和合拢温度工况，确定空间钢结构的温度作用工况；

步骤s2、计算空间钢结构在不同温度作用工况下的应力响应；

步骤s3、确定所述应力响应的波动指标；

步骤s4、取所述波动指标所对应的合拢温度为所述空间钢结构施工的最优合拢温度；所述波动指标，包括：应力响应的最小值。

优选地，所述确定空间钢结构的合拢温度工况，包括：

以空间钢结构所在地的年平均气温值为基准值，在该基准值上分别增减第一预设幅度和第二预设幅度作为合拢温度的取值范围，得到多种合拢温度工况；

其中，相邻合拢温度工况之间的取值跨度相同。

优选地，所述环境温度工况包括：

极低温度工况，极高温度工况以及平均温度工况。

优选地，所述步骤s4，包括：

对任一合拢温度工况，计算所对应的应力响应的最大值；

计算所有合拢温度工况所对应的所述最大值中的最小值；

取所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度。

优选地，所述步骤s3，包括：

根据预存的有限元模型，获取所述空间钢结构的结构信息；

根据所述结构信息，确定所述应力响应的波动指标。

优选地，所述根据所述结构信息，确定所述应力响应的波动指标，包括：

若所述结构信息显示所述空间钢结构包括单一结构形式的子结构，将轴应力响应、y向剪应力响应、z向剪应力响应、y向弯曲应力响应、z向弯曲应力响应确定为所述波动指标；

若所述结构信息显示所述空间钢结构包括非单一结构形式的子结构，按照结构形式的不同，对所述空间钢结构进行分区，将每个分区的所有钢构件在不同温度作用工况下的轴应力响应确定为所述波动指标。

优选地，若所述结构信息显示所述空间钢结构包括单一结构形式的子结构，所述步骤s3，包括：

计算所有合拢温度工况所对应的应力响应的最大值中的最小值；

取所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度的取值集合；

其中，所述应力响应，包括：轴应力响应、y向剪应力响应、z向剪应力响应、y向弯曲应力响应、z向弯曲应力响应。

优选地，所述计算所有合拢温度工况所对应的应力响应的最大值中的最小值，包括：

计算任一环境温度工况下任一合拢温度工况所对应的应力响应的第一最大值；

计算任一合拢温度工况下所有环境温度工况所对应的应力响应的第一最大值中的第二最大值；

计算所有合拢温度工况下应力响应所对应的第二最大值中的最小值；

其中，所述应力响应，包括：轴应力响应、y向剪应力响应、z向剪应力响应、y向弯曲应力响应、z向弯曲应力响应。

优选地，若所述结构信息显示所述空间钢结构包括非单一结构形式的子结构，所述步骤s3，包括：

对任一分区，计算任一环境温度工况下任一合拢温度工况所对应的轴应力响应的第一最大值；

对任一分区，计算任一合拢温度工况下所有环境温度工况所对应的轴应力响应的第一最大值中的第二最大值；

对任一分区，计算所有合拢温度工况所对应的第二最大值中的最小值；

取每个分区的所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度的取值集合。

另外，本发明还提出了一种空间钢结构施工合拢温度确定系统，包括：

确定单元，用于根据空间钢结构的环境温度工况和合拢温度工况，确定空间钢结构的温度作用工况；

计算单元，用于计算空间钢结构在不同温度作用工况下的应力响应；

所述确定单元，还用于确定所述应力响应的波动指标；

取值单元，用于取所述波动指标所对应的合拢温度为所述空间钢结构施工的最优合拢温度；所述波动指标，包括：应力响应的最小值。

本发明采用以上技术方案，至少具备以下有益效果：

通过计算不同环境温度工况及合拢温度工况下空间钢结构的应力响应，分析应力响应与合拢温度工况的关系，基于应力最小准则确定最优施工合拢温度范围，能在年环境温度变化范围内使结构应力波动最小，相比现有技术中合拢温度的取值一般取合拢期间的平均温度的方法，本发明提供的技术方案，合拢温度取值颗粒度小、精准度高，能够提高施工运营安全保障度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种空间钢结构施工合拢温度确定方法的流程图；

图2为本发明一实施例提供的一种空间钢结构施工合拢温度确定系统的示意框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

参见图1，本发明一实施例提供的一种空间钢结构施工合拢温度确定方法的流程示意图，参见图1，该方法包括：

步骤s1、根据空间钢结构的环境温度工况和合拢温度工况，确定空间钢结构的温度作用工况；

步骤s2、计算空间钢结构在不同温度作用工况下的应力响应；

步骤s3、确定所述应力响应的波动指标；

步骤s4、取所述波动指标所对应的合拢温度为所述空间钢结构施工的最优合拢温度；所述波动指标，包括：应力响应的最小值。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算不同环境温度工况及合拢温度工况下空间钢结构的应力响应，分析应力响应与合拢温度工况的关系，基于应力最小准则确定最优施工合拢温度范围，能在年环境温度变化范围内使结构应力波动最小，相比现有技术中合拢温度的取值一般取合拢期间的平均温度的方法，本实施例提供的技术方案，合拢温度取值颗粒度小、精准度高，能够提高施工运营安全保障度。

优选地，所述确定空间钢结构的合拢温度工况，包括：

以空间钢结构所在地的年平均气温值为基准值，在该基准值上分别增减第一预设幅度和第二预设幅度作为合拢温度的取值范围，得到多种合拢温度工况；

其中，相邻合拢温度工况之间的取值跨度相同。

需要说明的是，所述第一预设幅度和第二预设幅度可以相等，也可以不等。

例如，以空间钢结构所在地的年平均气温tm分别增减10℃至15℃作为合拢温度的取值范围，总共有a种合拢温度工况，工况之间的取值跨度为1℃。

优选地，所述环境温度工况包括：

极低温度工况，极高温度工况以及平均温度工况。

优选地，将空间钢结构所在地的极端最低气温，确定为所述极低温度工况下的环境温度；

将空间钢结构所在地的极端最高气温与太阳辐射温升之和，确定为所述极高温度工况下的环境温度；

将空间钢结构所在地的年平均温度，确定为所述平均温度工况下的环境温度。

为了便于理解，现举例说明所述步骤s1的具体实现过程：

1)空间钢结构的外表面不仅跟空气发生热交换，还受太阳辐射的影响。因此，环境温度工况考虑环境温度与太阳辐射温升的叠加：

ta＝te+tr(1)

式中te表示环境温度，其取值范围是tmin～tmax，tmin表示空间钢结构所在地的极端最低气温，tmax表示空间钢结构所在地的极端最高气温；tr表示太阳辐射温升；ρ表示太阳辐射吸收系数；i表示太阳辐射照度；αe表示外表面换热系数，均可通过结构所在地气象局公开信息以及查阅《实用供热空调设计手册》得到；

环境温度工况包括三种：极低温度工况，极高温度工况以及平均温度工况。极低温度工况对应的环境温度t′a无需考虑太阳辐射作用，等于极端最低气温；极高温度工况对应的环境温度t″a等于极端最高气温与太阳辐射温升的和；平均温度工况对应的环境温度等于空间钢结构所在地的年平均气温tm；

t'a＝tmin(4)

2)所述合拢温度工况的确定采用以下方法：

以结构所在地年平均气温tm分别增减10℃至15℃作为合拢温度的取值范围，总共有a种合拢温度工况，工况之间的跨度取值为1℃；

t＝[t1t2…ti…ta](6)

3)所述温度作用工况的确定采用以下方法：

对于有明确合拢阶段的大跨度空间钢结构而言，其温度作用δt等于环境温度ta与合拢温度t的差值，共有3a种温度作用工况；

δt＝ta-t(7)

式中δt＝t'a-ti表示极低温度工况及第i种合拢温度下的温度作用；δt＝t"a-ti表示极高温度工况及第i种合拢温度工况下的温度作用；表示平均温度工况及第i种合拢温度工况下的温度作用。

优选地，所述步骤s4，包括：

对任一合拢温度工况，计算所对应的应力响应的最大值；

计算所有合拢温度工况所对应的所述最大值中的最小值；

取所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度。

为了便于理解，现对所述步骤s3解释说明如下：

针对空间钢结构施工合拢温度，以温度作用下结构响应变化大小为波动指标，基于已有的空间钢结构的有限元模型，计算空间钢结构总共b根杆件在三种环境温度工况及a种合拢温度工况下的响应x；三种环境温度工况及第i种合拢温度下的响应表示为xi；第i种合拢温度下的响应最大值表示为hi；

x＝[x1x2…xi…xa](9)

hi＝max(xi)(11)

式中x"ij表示第j根杆件在第i种合拢温度和极高温度工况下的响应；x′ij表示第j根杆件在第i种合拢温度和极低温度工况下的响应；表示第j根杆件在第i种合拢温度和平均温度工况下的响应；

则a种合拢温度工况共对应a个响应最大值，确定出这a个响应最大值中的最小值h^δ，其所对应的合拢温度即为对应的最优合拢温度th。

h＝[h1h2…hi…ha](12)

h^δ＝min(h)(13)

优选地，所述步骤s3，包括：

根据预存的有限元模型，获取所述空间钢结构的结构信息；

根据所述结构信息，确定所述应力响应的波动指标。

优选地，所述根据所述结构信息，确定所述应力响应的波动指标，包括：

若所述结构信息显示所述空间钢结构包括单一结构形式的子结构，将轴应力响应、y向剪应力响应、z向剪应力响应、y向弯曲应力响应、z向弯曲应力响应确定为所述波动指标；

若所述结构信息显示所述空间钢结构包括非单一结构形式的子结构，按照结构形式的不同，对所述空间钢结构进行分区，将每个分区的所有钢构件在不同温度作用工况下的轴应力响应确定为所述波动指标。

优选地，若所述结构信息显示所述空间钢结构包括单一结构形式的子结构，所述步骤s3，包括：

计算所有合拢温度工况所对应的应力响应的最大值中的最小值；

取所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度的取值集合；

其中，所述应力响应，包括：轴应力响应、y向剪应力响应、z向剪应力响应、y向弯曲应力响应、z向弯曲应力响应。

具体包括：

计算所有合拢温度工况所对应的轴应力响应的最大值中的最小值；

计算所有合拢温度工况所对应的y向剪应力响应的最大值中的最小值；

计算所有合拢温度工况所对应的z向剪应力响应的最大值中的最小值；

计算所有合拢温度工况所对应的y向弯曲应力响应的最大值中的最小值；

计算所有合拢温度工况所对应的z向弯曲应力响应的最大值中的最小值；

取所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度的取值集合。

优选地，取所述取值集合的最小值和最大值之间的数据范围为所述最优合拢温度的取值范围。

优选地，所述计算所有合拢温度工况所对应的应力响应的最大值中的最小值，包括：

计算任一环境温度工况下任一合拢温度工况所对应的应力响应的第一最大值；

计算任一合拢温度工况下所有环境温度工况所对应的应力响应的第一最大值中的第二最大值；

计算所有合拢温度工况下应力响应所对应的第二最大值中的最小值；

其中，所述应力响应，包括：轴应力响应、y向剪应力响应、z向剪应力响应、y向弯曲应力响应、z向弯曲应力响应。

为了便于理解，现对所述空间钢结构包括单一结构形式的子结构时，合拢温度的确定方法，解释说明如下：

子结构的响应x包括所有钢构件的轴应力σ、y向剪应力τy、z向剪应力τz、y向弯曲应力γy和z向弯曲应力γz；计算子结构在t′a、t"a、三种环境温度工况以及a种合拢温度工况下的五种应力，并以五种应力的最大值c、d、e、f、g中的最小值作为评价空间钢结构子结构最优合拢温度的波动指标；

1)c"、d"、e"、f"、g"分别为极高温度工况下(环境温度ta＝t″a)a种合拢温度下五种应力的最大值；c"i、d"i、e"i、f"i、g"i分别表示合拢温度t＝ti时所有钢构件的五种应力的最大值；σ"i、τ"yi、τ"zi、γ"yi、γ"zi分别表示所有钢构件的五种应力；σ"ij、τ"yij、τ"zij、γ"yij、γ"zij分别表示在合拢温度t＝ti时第j根钢构件的五种应力；

c"＝[c"1c"2…c"i…c"a](14)

d"＝[d"1d"2…d"i…d"a](15)

e"＝[e"1e"2…e"i…e"a](16)

f"＝[f"1f"2…fi…f"a](17)

g"＝[g"1g"2…g"i…"g"a](18)

c"i＝max(σ"i)(19)

d"i＝max(τ"yi)(20)

e"i＝max(τ"zi)(21)

fi"＝max(γy"i)(22)

g"i＝max(γ"zi)(23)

σ"i＝[σ"i1σ"i2…σ"ij…σ"ib](24)

τ"yi＝[τ"yi1τ"yi2…τ"yij…τ"yib](25)

τ"zi＝[τ"zi1τ"zi2…τ"zij…τ"zib](26)

γ"yi＝[γ"yi1γ"yi2…γ"yij…γ"yib](27)

γ"zi＝[γ"zi1γ"zi2…γ"zij…γ"zib](28)

2)c'、d'、e'、f'、g'分别为极低温度工况下(环境温度ta＝t′a)a种合拢温度下五种应力的最大值；ci'、di'、ei'、fi'、gi'分别表示合拢温度t＝ti时所有钢构件五种应力的最大值；σi'、τ'yi、τz'i、γ'yi、γz'i分别表示所有钢构件的五种应力；σ′ij、τ′yij、τ′zij、γ′yij、γ′zij分别表示在合拢温度t＝ti时第j根钢构件的五种应力；

c'＝[c′1c′2…c′i…c′a](29)

d'＝[d′1d′2…d′i…d′a](30)

e'＝[e′1e′2…e′i…e′a](31)

f'＝[f′1f′2…f′i…f′a](32)

g'＝[g′1g′2…g′i…g′a](33)

c′i＝max(σ′i)(34)

d′i＝max(τ′yi)(35)

e′i＝max(τ′zi)(36)

f′i＝max(γ′yi)(37)

g′i＝max(γ′zi)(38)

σ′i＝[σ′i1σ′i2…σ′ij…σ′ib](39)

τ′yi＝[τ′yi1τ′yi2…τ′yij…τ′yib](40)

τ′zi＝[τ′zi1τ′zi2…τ′zij…τ′zib](41)

γ′yi＝[γ′yi1γ′yi2…γ′yij…γ′yib](42)

γ′zi＝[γ′zi1γ′zi2…γ′zij…γ′zib](43)

3)c^m、d^m、e^m、f^m、g^m分别为平均温度工况下(环境温度)a种合拢温度下五种应力的最大值；分别表示合拢温度t＝ti时所有钢构件的五种应力的最大值；分别表示所有钢构件的五种应力；分别表示在合拢温度t＝ti时第j根钢构件的五种应力；

4)子结构合拢温度的确定采用以下方法：

三种分析温度工况下的五种应力最大值分别为a种合拢温度工况的五种应力最大值分别为c^δ、d^δ、e^δ、f^δ、g^δ；分别为c^δ、d^δ、e^δ、f^δ、g^δ的最小值，其对应的合拢温度tc、td、te、tf、tg即为最优合拢温度，则五种应力对应的最优合拢温度为t；

t＝[tctdtetftg](74)

5)t的最小值p和最大值q所囊括的范围即为空间钢结构子结构的最优合拢温度范围

p＝min(t)(75)

q＝max(t)(76)

t＝[p～q](77)

令

则空间钢结构子结构的最优合拢温度可表示为t＝h±k(80)

优选地，若所述结构信息显示所述空间钢结构包括非单一结构形式的子结构，所述步骤s3，包括：

对任一分区，计算任一环境温度工况下任一合拢温度工况所对应的轴应力响应的第一最大值；

对任一分区，计算任一合拢温度工况下所有环境温度工况所对应的轴应力响应的第一最大值中的第二最大值；

对任一分区，计算所有合拢温度工况所对应的第二最大值中的最小值；

取每个分区的所述最小值所对应的合拢温度作为所述最优合拢温度的取值集合。

优选地，取所述取值集合的最小值和最大值之间的数据范围为所述最优合拢温度的取值范围。

为了便于理解，现对所述空间钢结构包括非单一结构形式的子结构时，合拢温度的确定方法，解释说明如下：

空间钢结构整体结构通常包括多种结构形式，通过分区分析的方法，以各分区轴应力响应的最大值中的最小值作为评价最优合拢温度的波动指标；将空间钢结构整体结构分为n个区；则整体结构的响应x包括n个区内所有钢构件的轴应力σ；计算钢结构在ta、ta、三种环境温度工况以及a种合拢温度工况下所有钢构件的轴应力σ，并以各分区轴应力最大值c的最小值作为评价空间钢结构最优合拢温度的波动指标；

1)c"为极高温度工况下(环境温度ta＝t″a)n个分区在a种合拢温度下的

轴应力最大值，c″qi表示合拢温度t＝ti时第q分区中所有钢构件轴应力的最大值，σ″qi表示第q分区在合拢温度t＝ti时所有钢构件轴应力的轴应力，σ″qij表示第q分区在合拢温度t＝ti时第j根钢构件的轴应力；

c″qi＝max(σ″qi)(82)

σ″qi＝[σ″qi1σ″qi2…σ″qij…σ″qib](83)

2)c'为极低温度工况下(环境温度ta＝t′a)n个分区在a种合拢温度下的轴应力最大值，c′qi表示合拢温度t＝ti时第q分区中所有钢构件轴应力的最大值，σ′qi表示第q分区在合拢温度t＝ti时所有钢构件轴应力的轴应力，σ′qij表示第q分区在合拢温度t＝ti时第j根钢构件的轴应力；

c′qi＝max(σ′qi)(85)

σ′qi＝[σ′qi1σ′qi2…σ′qij…σ′qib](86)

3)c^m为平均温度工况下(环境温度)n个分区在a种合拢温度下的轴应力最大值，表示合拢温度t＝ti时第q分区中所有钢构件轴应力的最大值，表示第q分区在合拢温度t＝ti时所有钢构件轴应力的轴应力，表示第q分区在合拢温度t＝ti时第j根钢构件的轴应力；

4)空间钢结构的整体结构合拢温度的确定采用以下方法：

对于第q分区，三种环境温度工况下的轴应力最大值为a种合拢温度工况的轴应力最大值为为的最小值，其对应的合拢温度tq即为第q分区对应的最优合拢温度，则所有分区对应的最优合拢温度为t；

5)t的最小值p和最大值q所囊括的范围即为空间钢结构整体结构的最优合拢温度范围

p＝min(t)(94)

q＝max(t)(95)

t＝[p～q](96)

令

则空间钢结构整体结构的最优合拢温度可表示为

t＝h±k(99)

综上所述，本发明提供的技术方案，通过环境温度和太阳辐射温升的叠加确定环境温度工况，包括极高温度工况，极低温度工况和平均温度工况；基于空间钢结构所在地的年平均气温确定合拢温度工况；考虑空间钢结构整体结构合拢以及子结构合拢，以分区单元的应力响应的最大值中的最小值作为评价子结构最优合拢温度的波动指标，基于结构类型对整体结构进行分区，并以各分区单元轴应力响应的最大值中的最小值作为评价整体结构最优合拢温度的波动指标；模拟不同环境温度工况及合拢温度工况下空间钢结构的应力响应；分析结构应力响应与合拢温度工况的关系，基于应力最小准则确定最优施工合拢温度范围。相比现有技术，方法简单、部署实施容易，合拢温度取值颗粒度小、精准度高，能够提高施工运营安全保障度。

另外，参见图2，本发明还提出了一种空间钢结构施工合拢温度确定系统100，包括：

确定单元101，用于根据空间钢结构的环境温度工况和合拢温度工况，确定空间钢结构的温度作用工况；

计算单元102，用于计算空间钢结构在不同温度作用工况下的应力响应；

所述确定单元101，还用于确定所述应力响应的波动指标；

取值单元103，用于取所述波动指标所对应的合拢温度为所述空间钢结构施工的最优合拢温度；所述波动指标，包括：应力响应的最小值。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算不同环境温度工况及合拢温度工况下空间钢结构的应力响应，分析应力响应与合拢温度工况的关系，基于应力最小准则确定最优施工合拢温度范围，能在年环境温度变化范围内使结构应力波动最小，相比现有技术中合拢温度的取值一般取合拢期间的平均温度的方法，本实施例提供的技术方案，合拢温度取值颗粒度小、精准度高，能够提高施工运营安全保障度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。