[发明专利]一种确定索穹顶初始平衡态的逐环递推方法

说明书

技术领域

本发明公开了一种根据已知参数条件、力平衡条件、脊索初始预应力条件和斜索初始预应力条件，从最内环向最外环逐环递推同步确定索穹顶结构的初始位形和初始预应力的逐环递推方法，属索穹顶建筑设计和结构设计领域，涉及程序编制和软件开发。

背景技术

索穹顶是一种由脊索、斜索和压杆构成的空间张力结构，其需要通过预应力张拉而使结构成形，具有结构刚度。索穹顶的初始平衡态是初始荷载(如结构自重、屋面系统自重等)和初始预应力在初始位形上平衡的状态，其包含了初始荷载、初始位形和初始预应力三大要素。

索穹顶结构设计时首先需要确定初始平衡态。确定初始平衡态时，一般情况下初始荷载条件是已知或者已假定的，需要确定的是初始位形和初始预应力。索穹顶的初始位形和初始预应力对于结构性能具有同样的重要性。根据力平衡条件，不同的初始位形对应不同的初始预应力，初始位形和初始预应力相互依存，因此一般情况下需要先已知其一，再通过分析确定其二。两条分析途径为：①已知初始位形，通过找力分析确定初始预应力；②已知初始预应力，通过找形分析确定初始位形。

现确定索穹顶的初始平衡态，一般步骤为：先根据建筑和结构特点确定初步的初始位形，通过找力分析确定该初始位形下平衡的初始预应力，然后通过参数分析以及多次的找力分析和找形分析，对初始平衡态进行优化调整，以满足建筑、结构和施工的综合要求。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种确定索穹顶初始平衡态的逐环递推方法，根据若干基本条件，同步确定索穹顶初始平衡态的初始位形和初始预应力，不需先后确定，减少优化参数和次数。

技术方案：初始位形是决定初始预应力和结构性能的关键因素之一，因此索穹顶的初始位形不能完全根据建筑确定，也需要由初始预应力和结构性能来确定。由于初始位形和初始预应力的相互依存性，现在确定索穹顶结构的初始平衡态一般需要先确定其一，再确定其二，然后多次循环优化调整，满足建筑、结构和施工的综合要求。本发明旨在根据若干基本条件，同步确定索穹顶初始平衡态的初始位形和初始预应力，不需先后确定，减少优化参数和次数。

确定索穹顶初始平衡态的逐环递推方法为：根据已知参数条件、力平衡条件、脊索初始预应力条件和斜索初始预应力条件，从最内环向最外环逐环递推同步确定索穹顶结构的初始预应力和初始位形；

确定索穹顶初始平衡态的逐环递推方法包含以下步骤：

1)设定基本结构尺寸，包括环数N、环索分段数M、环间距L_(i)、最内环半径L₍₀₎以及最内环脊索斜角α₍₁₎；

2)设定初始荷载值F_V(i)，i＝1，…，N；

3)设定最内环脊索初始预应力P_R(1)；

4)确定第一环即最内环的初始位形和初始预应力；

①根据力平衡条件，确定第一环的环索和压杆的初始预应力，

②根据斜索初始预应力条件，确定第一环斜索的斜角和初始预应力，

③根据几何关系，确定第一环脊索、斜索、环索和压杆的几何长度；

5)第一环的初始位形和初始预应力确定后，向最外环逐环递推同步确定其它各环的初始位形和初始预应力，直至最外环；若第i环的初始位形和初始预应力已确定，则：

①根据脊索初始预应力条件，确定第i+1环脊索的初始预应力，

②根据力平衡条件，确定第i+1环脊索的斜角和压杆的初始预应力，

③根据斜索初始预应力条件，确定第i+1环斜索和环索的初始预应力以及斜索的斜角，

④根据几何关系，确定第i+1环脊索、斜索、环索和压杆的几何长度。

已知参数条件包括基本结构尺寸、初始荷载F_V和最内环脊索初始预应力P_R(1)，其中基本结构尺寸包括环数N、环索分段数M、环间距L_(i)、最内环半径L₍₀₎以及最内环脊索斜角α₍₁₎。

力平衡条件为：除支座节点外，初始荷载和初始预应力在节点上满足力平衡方程。

脊索初始预应力条件为：脊索的初始预应力应等于相邻内环的脊索和斜索的初始预应力之和。

斜索初始预应力条件为：同环的斜索和脊索的初始预应力的径向水平分力应相。