[发明专利]一种用于寻找索杆结构可行预应力的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及的一种可行预应力的计算方法，具体地说是一种用于寻找索杆结构可行预应力的方法，应用范围包括索穹顶结构、索桁结构、索网结构以及弦支穹顶结构和张弦梁结构下部的索杆体系。

背景技术

在大跨度空间结构工程领域，索结构、索杆以及索杆梁结构作为体育场馆、会展中心、铁路客站以及机场航站楼等建筑的屋盖现已受到广泛的关注。1927年Fuller首次提出张拉整体结构的概念，随后Snelson建造了世界上第一个张拉整体结构的模型。在张拉整体结构的基础上，Geiger通过在张拉整体结构的周边布置环梁而发明了索穹顶结构，索穹顶先后在1986年首尔奥运会的体育馆、1988年美国伊利诺伊州的Redbird体育馆、1996年亚特兰大奥运会的体育馆以及中国鄂尔多斯体育馆的屋盖上进行了应用。索杆结构由于没有初始刚度，结构刚度必须通过施加预应力来产生。所以预应力的寻找与设计是索杆结构设计中的关键一步。目前对索杆结构的预应力设计，国内外都有一定的研究，但尚未发现既可考虑荷载又可对不合理结构几何进行合理化更新后进行预应力寻找设计的文献和专利成果。

国内外的研究有,Pellegrino等于1993年在《International Journal of Solids and Structures》上发表的文章“Structural Computations with the Singular Value Decomposition of the Equilibrium Matrix”通过对结构几何的平衡矩阵进行奇异值分解，得到了结构的自应力模态，但是这一方法只有在结构几何确定且合理的前提下才能进行，而且不能考虑结构的外载和自重。2002年YUAN等在《Computers and Structures》上发表的文章“Integral feasible pre-stress of cable domes”依据索穹顶结构自身的对称特性，提出了结构整体可行预应力的概念，并对传统奇异值分解法进行了简化，但用这一方法进行预应力寻找和设计时仍不能考虑结构荷载，且必须在结构几何确定且合理的前提下才能进行。后来Wang等在《Journal of Constructional Steel Research》上发表的文章“Simple approach for force finding analysis of circular Geiger domes with consideration of self-weight”将结构自重转化为节点荷载通过节点平衡法给出了可以考虑结构自重的简化计算方法，但这一方法只用在了具有单自应力模态的Geiger穹顶和Levy穹顶上，对于多自应力模态的其他索穹顶形式未见这一方法应用的报道，此外这一方法同样要在结构几何确定且合理的基础上才能应用，同时也未见将这一方法应用在考虑任意形式荷载的预应力设计上的报道。另外Cao等在《Engineering Structures》上发表的文章“A simplified strategy for force finding analysis of suspendomes”介绍了一种用于索杆梁结构预应力的局部设计法，Guo在《Advances in Structural Engineering》上发表的文章“A Simple Approach for Force Finding Analysis of Suspended-Domes Based on the Superposition Principle”介绍了利用叠加原理对索杆梁结构进行预应力设计的简单计算法，但是上述这两种方法均要求结构具有合理的几何构型才能应用。针对上述不足，本发明提出了一种用于寻找索杆结构可行预应力的方法，可以在建立索杆结构数值模型时直接将结构可能承受的荷载包括进去，进而在可行预应力寻找的过程中直接考虑结构所有可能承担的荷载；同时利用公式Xⁱ⁺¹＝Xⁱ+Dⁱ可对一些无法施加可行预应力的不合理结构进行结构几何合理化修正，并设计寻找对应的可行预应力，较传统方法仅能对几何确定且合理的结构才能进行预应力设计有了本质上的进步；此外，在保持结构几何不变的情况下对结构的预应力进行迭代，然后在预应力迭代完成后进行结构几何更新，并不停重复上述计算循环直到满足所有指标为止的这一方法克服了结构几何和内力相互耦合对预应力设计的影响。这一方法不仅可对结构造型复杂的索杆结构进行预应力的寻找，对结构组成与造型相对简单的索杆梁结构中的索杆系统以及索网结构均可进行可行预应力的寻找设计。

发明内容