预应力弦支索膜穹顶结构的施工全过程仿真模拟分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种预应力弦支索膜穹顶结构的施工全过程仿真模拟分析方法，适用于预应力弦支索网穹顶和预应力弦支索膜穹顶结构的制作安装。
【背景技术】
[0002]随着钢结构及预应力结构的推广，大跨度空间结构得到广泛应用。作为空间结构的一种特殊结构形式，大跨度预应力弦支穹顶结构凭借其结构形式新颖、适用跨度大、结构用料少、施工周期短等优异特点，在体育场馆、商业建筑等领域颇受建筑师青睐。
[0003]传统弦支穹顶结构是由上部单层刚性网壳与下部柔性索杆体系组成的新型杂交空间结构形式。自1994年Kawaguchi教授提出至今，弦支结构穹顶在体育馆、商业建筑等需求大跨度空间的建筑上得到了广泛应用。本发明中所描述的预应力弦支索膜穹顶结构是在传统弦支穹顶结构基础上发展而成的预应力柔性体系结构，由上部柔性预应力索网或膜结构体系和下部柔性预应力索杆体系共同组成的空间结构形式，其在适用性、经济性及技术性等方面比传统弦支结构更加优异。经检索，在国内与弦支穹顶结构相关的文献主要如下:
[0004]浅谈弦支穹顶结构施工工艺及模拟方法，著者殷富山；济南奥体中心体育馆大跨度弦支穹顶预应力拉索施工，著者郭正兴、罗斌等；重庆市渝北体育馆弦支穹顶结构预应力施工技术研究，著者王泽强、张迎凯等；预应力弦支穹顶结构施工工法；中国华冶集团14项工法通过部级工法评定，大跨度弦支穹顶钢结构安装施工工法；关于发布2011年度企业级工法的通知中报道的邯郸机装分公司完成的大跨度弦支穹顶钢结构安装施工工法；大跨度弦支穹顶结构关键施工技术研究，著者单位浙江东南网架股份有限公司；弦支穹顶多次预应力施工方法，公告号CN101158195 ;单层弦支穹顶地面单体张拉提升施工方法，公告号CN103938875A。
[0005]以上文献所涉及的弦支穹顶结构都是由刚性网壳与柔性索杆体系组成的传统弦支穹顶结构，其采用施工仿真计算主要针对于钢索的张拉施工过程模拟。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种预应力索膜穹顶结构的全过程仿真模拟分析方法，达到仿真数据指导加工制作、通过仿真模拟优选施工步骤、利用仿真数据评价产品质量的目的。
[0007]为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种预应力弦支索膜穹顶结构的施工全过程仿真模拟分析方法，该预应力弦支索膜穹顶结构包括位于中部的飞杆，通过调节飞杆的长度使其将位于其两侧的上层索或上层膜及下层索施加预应力，其特征在于，包括如下步骤:
[0008]第一步、根据产品设计图纸及技术要求，构建预应力弦支索膜穹顶结构的3D几何模型，采用具有找形功能的软件，对3D几何模型进行找形分析，以求得空间力学平衡状态，得到:上层索或上层膜及下层索的模拟预应力、飞杆的模拟轴向压缩内力及用于固定穹顶结构体系的支承结构的支座反力；
[0009]第二步、将求得的预应力弦支索膜穹顶结构的空间力学平衡状态与预应力弦支索膜穹顶结构的设计要求进行对比，若达不到设计要求，则返回第一步，若达到设计要求，则进入第三步；
[0010]第三步、以达到力学平衡状态的3D几何模型为初始状态，利用软件模拟逐步缩短飞杆的长度进行逆分析，使得上层索或上层膜及下层索上的预应力逐渐释放，直至上层索或上层膜及下层索上的预应力不再变化，由此得出:上层索或上层膜及下层索的加工长度、飞杆的调节量；
[0011]第四步、根据第三步得到的上层索或上层膜及下层索的加工长度及飞杆的调节量实际加工出上层索或上层膜、下层索及飞杆，采用仪器测量上层索或上层膜及下层索实际长度及飞杆的实际初始长度及实际调节量，根据上述数据构建预应力弦支索膜穹顶结构的实际安装模型，实际安装模型的初始状态为上层索或上层膜及下层索的预应力接近零；
[0012]第五步、利用软件模拟，逐渐增长飞杆，使得上层索或上层膜及下层索的预应力逐渐增大，直至达到模拟预应力，判断上层索或上层膜及下层索的实际长度、飞杆的实际轴向压缩内力及支座的实际反力是否均与上层索或上层膜及下层索的设计长度、飞杆的模拟轴向压缩内力及支座的模拟反力相符，若是，则将上层索或上层膜及下层索的加工长度、飞杆的调节量、飞杆的实际轴向压缩内力及支座的实际反力输出指导实际的安装作业，若否，则返回第四步。
[0013]由于本发明中涉及的预应力弦支索膜穹顶结构与传统弦支穹顶结构在结构体系上有着本质的区别，【背景技术】所有文献中提到的施工仿真分析无法在预应力弦支索膜穹顶结构的上直接应用。
[0014]本发明中的预应力弦支结构穹顶是一种非线性大变形的结构体系，其组成单元间的相互作用非常复杂。经分析，预应力弦支穹顶结构这种非线性结构的安装目主要解决以下难题:
[0015]1、根据设计图纸信息，构建符合力学平衡的初始预应力状态；
[0016]2、制作状态(零状态)必须由设计状态(预应力状态)进行逆分析求得，并根据制作状态完成零部件的加工，方能保证零部件的加工尺寸满足设计要求的精度；
[0017]3、由于非线结构影响的复杂性，预应力施加不能像传统结构那样逐根调节钢索长度来施加应力。所有钢索均设计采用定尺定长设计，在安装过程中无法通过调节索长来调节钢索应力。
[0018]4、施工顺序对预应力传递及安装结果的影响较大，在施工前必须进行分析选取合适安装步骤。
[0019]鉴于大跨度预应力弦支穹顶结构的美好应用前景，通过对本发明技术方案的研究，旨在保障安装质量、降低施工成本，从施工技术上，为产品规范化设计提供宝贵意见。因此，发明预应力弦支索膜穹顶结构的施工全过程仿真模拟分析方法非常重要。
[0020]本发明的优点是:产品的制作依据是经过逆分析过程生成的制作模型，比传统按照设计图纸进行加工更精确；安装过程的仿真模拟考虑了产品制作误差及实际安装误差，根据分析结果及时调整安装技术方案；安装过程的仿真模拟，使得在产品实施安装之前评价安装方案的可行性找出弊点，