[发明专利]一种张弦结构的找形方法

说明书

本申请公开了一种张弦结构的找形方法，该方法能在张弦结构上弦给定，且撑杆保持竖直的条件下寻找相应的下弦索构形，并给出初始态的预应力。本发明可在不改变上弦刚性部分几何形状、保持撑杆竖直的前提下进行张弦结构下弦索的找形，使结构的初始态与建筑几何完全吻合；适用范围广，可用于单向、双向、多向张弦梁以及张弦网壳等不同类型的张弦结构；找形过程中仅更新节点的z坐标，节点x、y坐标自动满足平衡方程，无需进行更新，从而使撑杆自动保持竖直；控制参数少，可以针对给定的上弦刚性部分的几何形状，直接得到一系列不同尺寸的下弦索形状以及对应的预应力，便于建筑方案比选和结构优化。

技术领域

本发明涉及建筑工程的建筑设计和结构设计领域，具体涉及一种张弦结构的找形方法。

背景技术

张弦结构由上弦刚性构件、下弦高强度索以及连接二者的撑杆组成，是一种典型的由刚、柔性单元组成的杂交结构体系。这类结构体系的最早应用形式是平面受力的张弦梁(beam string structure)，其刚性部分采用梁、拱等单向构件，后来逐渐发展出张弦立体桁架、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、张弦网壳等不同类型。张弦结构能充分发挥刚性构件和柔性构件的受力特点，具有跨越较大空间的能力，广泛应用于大跨度建筑。

在张弦结构的早期应用中，下弦形状通常由建筑要求确定，并在此基础上进行找力分析以及基于逆迭代的零状态找形分析。近期研究表明，通过确定合理的下弦形状及相应的预应力，可使结构的初始态(即张拉完成、考虑指定荷载的平衡态)与零状态几何形状相同，改善上弦刚性构件的内力分布，提高材料的利用率。现有的下弦索找形方法主要包括有限元法、力密度法、动力松弛法等。

在工程实践中，除了要求张弦结构的初始态与建筑几何吻合，还一般要求撑杆保持竖直。目前基于力密度法的找形对下弦索节点三个方向的坐标同时求解，为了得到撑杆竖直的结构初始态，需要在找形中引入迭代过程，对节点的x、y坐标进行修正。本发明基于力密度法提出一种张弦结构找形方法，无需对节点的x、y坐标进行修正，使撑杆自动保持竖直。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种张弦结构的找形方法，其有效解决了背景技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种张弦结构的找形方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：将张弦结构按构件特性拆分为两部分，第一部分为上弦刚性部分与撑杆组成的刚性模型，其中撑杆沿竖直方向布置；第二部分为下弦索构成的柔性模型；

步骤2：约束刚性模型的边界节点，以及每根撑杆下端点的三个平动自由度，在指定荷载作用下进行静力计算，提取撑杆内力；

步骤3：约束柔性模型的边界节点，以及每个下弦索节点的z向自由度，在自重作用下进行静力计算，提取每个下弦索节点的z向反力；

步骤4：将步骤3得到的反力值与步骤2中的撑杆内力相加，所得结果作为柔性模型找形采用的外荷载；

步骤5：以力密度为变量建立柔性模型下弦索节点的x向、y向平衡方程组，求解方程组的通解，该通解称作力密度模态，满足各节点x向和y向平衡条件；

步骤6：将步骤5得到的力密度模态乘以调整系数，得到柔性模型找形采用的力密度；

步骤7：采用步骤6得到的力密度，并将步骤4得到的外荷载施加到柔性模型的相应节点上，对柔性模型进行带荷载的力密度法找形；

步骤8：检查找形得到的柔性模型几何是否满足与建筑功能相关的要求，若满足则进入下一步，否则返回步骤6，更新力密度模态的调整系数，并重新进行找形，直至得到几何尺寸满足要求的柔性模型；