[发明专利]一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及预应力钢结构领域，更详细的说是一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法，尤其是涉及以索穹顶承载全过程中“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应为特征的，以仿真分析和试验为评判依据的指标确定方法。承载全过程：指从结构仅承受自重及索体初始预应力状态开始，对结构逐步增加荷载至结构破坏的全过程。

背景技术

索穹顶结构集新材料、新技术和新工艺于一体，具有合理的受力特性和较高的结构效率，是较能体现当代建筑先进材料、设计和施工技术水平的现代化结构体系之一。索穹顶主体结构由四个部分构成：由脊索、斜索、环索组成的连续张力索网，受压撑杆，中央拉力环，周边受压环桁架。索膜次结构包括由张紧于脊索之上的膜和设置在径向脊索之间的谷索。预应力的施加使索穹顶从机构演变为结构，并能承受设计使用荷载，所以张力索网是索穹顶结构的主要承力构件，它实现了“连续张力海洋”的结构力学先进理念。

以往索穹顶结构设计仅限于弹性阶段设计，主要包括构件弹性承载力设计、体系小变形能力设计。与既有发明不同的是，本发明以索穹顶承载全过程中的“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段特征评判为依据，得到体系弹性承载能力系数、体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数（以下简称三控指标系数），提出三控指标同时控制索穹顶结构体系静力延性安全性能的方法，为索穹顶结构设计指标的确定提供了科学的依据和方法。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法，其特征在于：该指标是基于索穹顶承载全过程中的“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应特征确定的，并且包括以下步骤：

步骤①，在试验室内对索进行材料力学试验，得到弹性模量、屈服强度、极限强度、线膨胀系数等参数；在试验室内对索及索夹连接节点进行力学试验，得到连接节点摩擦系数及其约束刚度等参数。

步骤②，进行索穹顶结构承载全过程分析研究。可通过计算仿真分析实现。依据试验室试验结果，将结构材料模型设定为非线性属性；依据试验结果在计算模型中考虑索的预应力损失及索夹节点约束刚度影响，并在计算过程考虑结构体系几何非线性。分析在ANSYS软件中进行，采用非线性迭代方法求解。计算得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力、索力等参数变化关系。

索穹顶结构承载全过程分析研究也可通过整体结构模型试验方法实现。试验得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力与索力等参数变化关系。

步骤③，以K倍设计荷载施加于索穹顶上，利用步骤②方法，以脊索不出现松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K；

根据步骤②方法，以环索屈服为判别条件，计算索穹顶体系环索屈服荷载系数和环索屈服体系大变形系数；

根据步骤②方法，以结构破坏为判别条件，计算索穹顶体系破坏荷载系数P_u和体系极限大变形系数D_u。

步骤④，由步骤③已经求得的、、P_u、D_u进一步求解得到索穹顶的体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数；结合步骤③确定的体系弹性承载能力系数K，构成本发明所涉及的三个设计指标。

说明：脊索松弛指脊索出现拉应力为0的情况；环索屈服指对于没有明显的屈服点高强钢绞线环索，当其应力超过0.8倍屈服应力的情况。

本发明具有如下有益效果：

(1) 通过大量仿真分析、试验和工程实践得到索穹顶结构承载全过程中“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应为特征；

(2) 为索穹顶结构体系安全设计提出基于承载全过程的三控指标系数的确定方法；

(3) 提出索穹顶结构三控指标系数同时控制的静力延性安全性能设计方法。

下面参照附图对本发明进一步说明。

 

附图说明

图1为结构承载全过程荷载-力学响应非线性迭代过程示意图。

图2为体系稳定承载力系数P与脊索应力σ关系曲线。

图3为体系稳定承载力系数P和大变形能力系数D的关系曲线。

图4本发明方法的流程图。

图5为本发明实施例中索穹顶屋盖结构构成。

图6为本发明实施例中荷载-脊索应力曲线。

图7为本发明实施例中荷载-环索应力曲线。