[发明专利]一种车辐式索承网格钢结构初始预应力状态的设计方法

说明书

本发明涉及一种车辐式索承网格钢结构初始预应力状态的设计方法，包括：根据车辐式索承网格钢结构所受自重情况，计算得到径向索和环索节点处所受荷载作用大小；得出自重下各径向索初始预张力估算值以及径向索和环索的索力分布情况；根据预张力确定径向索和环索直径，并将对比得到的初始预张力输入到有限元结构模型当中，经几何非线性静力计算后，检查并调整结构形状直至满足建筑外形要求；确定径向索和环索的预张力，同时得到新的径向索和环索直径，从而可以确定结构的初始预应力状态；本发明适用于车辐式索承网格钢结构的设计。

技术领域

本发明涉及空间结构领域，具体涉及车辐式索承网格钢结构的建筑设计和结构设计。

背景技术

车辐式索承网格钢结构通常由刚性网格、柔性拉索体系、竖向撑杆组成,其中柔性拉索体系通过竖向撑杆为上部刚性网格提供竖向支撑；刚性网格起到压环作用，柔性拉索体系张拉后使结构整体为一自平衡体系，其中柔性拉索体系包括径向索和环索。

车辐式索承网格钢结构设计中，经常遇到初始预应力状态确定比较困难的情况。一般传统初始预应力状态的设计方法有两种：一种为微积分解析法；另一种为非线性有限元试算法。微积分解析法一般情况下需要结构具有几何尺寸、荷载分布均为双轴对称的特点，方便计算确定拉索的初始预张力。而车辐式索承网格钢结构在实际工程中由于坐标、荷载均可能不对称且情况复杂，很多情况都无法通过解析法计算确定。另一种非线性有限元试算法，是车辐式索承网格钢结构确定拉索预张力最常用的方法，但是由于需要反复很多次进行调整迭代计算，非常繁琐且耗时巨大。基于此，有必要发明一种快速且简便的初始预应力状态的确定方法，以解决提高车辐式索承网格钢结构设计效率的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速而简洁地确定车辐式索承网格钢结构初始预应力状态的设计方法。

为实现上述目的，本发明提出一种车辐式索承网格钢结构初始预应力状态的设计方法，所述车辐式索承网格钢结构包括刚性网格、径向索、环索和竖向撑杆，包括以下步骤：

步骤一：根据车辐式索承网格钢结构所受自重（含屋面永久荷载，下同）情况，统计计算得到车辐式索承网格钢结构中的径向索和环索节点处所受荷载作用大小，及自重下竖向撑杆轴力值N3。当同时存在竖向撑杆和斜腹杆时，在确定初始预张力阶段时可以偏于安全地认为荷载全部集中于竖向撑杆。

步骤二：根据建筑外形确定各节点处径向索与水平线夹角α，利用步骤一得到的各节点处竖向撑杆轴力值N3，通过径向索和环索节点局部静力平衡原理初步得出自重下各各节点处径向索初始预张力估算值N2=N3/sinα；得到各各节点处径向索索力N2后，最小径向索索力乘以6.5倍为对应节点处环索索力N1，最大径向索索力乘以5.5倍为对应节点处环索索力N1，其余节点处按5.5~6.5倍插值确定环索索力N1。

步骤三：建立有限元结构计算模型，结构在无索预张力状态时，自重作用下经静力计算结构达到平衡状态，此时得到各节点处径向索的索力和环索的索力分布情况。

步骤四：将上述步骤二和步骤三得到的同一节点处的结果、、、中的N1与N1’和N2与N2’分别进行比较，按较大值确定各节点处径向索和环索的预张力，根据预张力确定各节点处径向索和环索直径，并将对比得到的初始预张力输入到有限元结构模型当中，经几何非线性静力计算后，检查结构形状是否满足建筑外形要求。

步骤五：当结构形状不能满足建筑外形要求时，将步骤四中对比得到的初始预张力作为基本模数进行逐级增大，重复进行几何非线性静力计算，直至与建筑外形误差在千分之二范围之内，即可确定各节点处径向索和环索的预张力，同时得到新的各节点处径向索和环索直径，从而可以确定结构的初始预应力状态。

所述步骤五中如果初始预张力逐级增大较多，达2倍以上，仍然未能使结构变形与建筑外形误差在千分之二范围之内，需通过调整径向索与水平线夹角、索承网格钢结构矢高、环索曲率，使经计算后的结构形状与建筑外形误差达到上述区间范围。