大开口索承网格结构的找形方法

摘要

本发明公开了一种大开口索承网格结构的找形方法，可实现下部张拉索杆体系对上部刚性体系的合理支撑，可保持张拉索杆体系撑杆竖直、限制撑杆高度，在受力合理的同时达到美观的建筑效果，并可进一步修正索杆体系找形结果，使结构体系适合多种荷载工况，受力更加合理。

权利要求

1.大开口索承网格结构的找形方法，其特征在于：包括以下步骤：a)、将大开口索承网格结构拆分成上部大开口刚性体系与下部张拉索杆体系，所述下部张拉索杆体系中的撑杆对上部大开口刚性体系进行支撑，所述撑杆与上部大开口刚性体系的交点为撑杆上节点；

b）、约束上部大开口刚性体系中的撑杆上节点Z向，计算指定荷载工况作用下该节点对应的支座反力；

c）、约束下部张拉索杆体系中的撑杆上节点X、Y向，放松其Z向的约束，将步骤b）中求得的支座反力反号施加至撑杆上节点，采用平衡矩阵理论求得单元内力的最小二乘解；

d）、再约束下部张拉索杆体系撑杆上节点的Z向，采用力密度法求解张拉体系的平衡形态；

e）、力密度法求解张拉索杆体系的平衡形态后，强制使需要保持竖直的撑杆下部自由节点的X、Y坐标等于上部约束节点的X、Y坐标；

f）、将撑杆分组，确定各组撑杆中起长度控制的杆件为主要杆，并确定各组撑杆中主要杆的长度为la1、la2、…、lan，其他为从属杆；

g）、在下部张拉索杆体系找形结果中提取各主要杆的长度l1、l2、…、ln；

h）、令主要杆的长度为la1、la2、…、lan，而各组从属杆的长度相应乘以对应主要杆的等比例缩放系数：la1/l1、la2/l2、…、lan/ln；

i）重复c）至h）步，可获得撑杆保持竖直且长度满足要求的找形结果；

在所述找形方法中引入判定条件：R([A])≠R([A {P}])，式中R( )表示矩阵的秩，[A] 为力平衡矩阵， {Pt}为节点荷载矩阵，若该式成立，则所述找形方法中所求张拉索杆体系不存在，应调整上述步骤中的限制条件重新求解。

2.根据权利要求1所述的大开口索承网格结构的找形方法，其特征在于：将张拉索杆体系的变形向量引入张拉索杆形态中对形态进行微调，具体修正步骤如下：Ⅰ)、将下部张拉索杆体系找形态与上部大开口刚性体系组合，得到整体模型，计算各荷载工况；

Ⅱ）、提取张拉索杆体系自由节点在需要适应的控制工况中的变形向量，将其作为修正向量叠加到自由节点坐标上；

Ⅲ）、采用上述e）～h）步骤进行撑杆竖直及长度修正；

Ⅳ）、以上步骤重复数次，可得到能兼顾其他荷载工况的张拉索杆体系形态。

说明书

大开口索承网格结构的找形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种适用于体育场的大开口索承网格结构的找形方法。

背景技术

[0002] 张弦结构在欧洲、日本很早就有应用，由于最初上弦采用钢梁，英文称之为Beam String Structure。1986年日本大学Masao Saitoh教授将这种结构定义为“将弦进行张拉，与梁组合”，称之为张弦梁，较早建成的张弦结构如日本某幼儿园健身房，采用了平行布置的张弦梁，平面尺寸为26m×36m，Masao Saitoh教授设计的日本大学体育馆也采用了平行布置的张弦梁，平面尺寸58m×85m。

[0003] 近年来，张弦梁的应用日益广泛，上弦形式也从梁发展到拱、平面桁架、立体桁架、网壳，下弦形式也从索单向布置发展为双向布置、空间布置等，跨度也从几十米发展到120多米。随着我国经济实力的上升，目前全球大规模的张弦结构主要集中在我国，其中代表性的工程如上海浦东国际机场一期航站楼（张弦梁，最大跨度82.6m）、广州国际会展中心（张弦立体桁架，跨度126.6m）、国家体育馆（双向张弦桁架，114m×114m）、南沙体育馆（空间张弦结构、直径98m）。

[0004] 目前已建成张弦结构的上弦均为连续曲面的刚性体系，如梁、桁架、网壳等，故张弦结构多运用于场馆、站台等建筑。由于体育场中间常为露天的场地，故屋面为大开洞的曲面，若将张弦结构刚性上弦中部设置为大开口结构，会造成其上弦无法形成完整的壳体，要获得满足要求的刚度和承载力有很大的设计难度，因此，目前在全球还尚未见有张弦网格体系应用于露天场地体育场的相关报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种运用于体育场的大开口索承网格结构的找形方法。

[0006] 本发明技术的技术方案是这样实现的：大开口索承网格结构的找形方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0007] a)、将大开口索承网格结构拆分成上部大开口刚性体系与下部张拉索杆体系，所述下部张拉索杆体系中的撑杆对上部大开口刚性体系进行支撑，所述撑杆与上部大开口刚性体系的交点为撑杆上节点；

[0008] b）、约束上部大开口刚性体系中的撑杆上节点Z向，计算指定荷载工况作用下该节点对应的支座反力；

[0009] c）、约束下部张拉索杆体系中的撑杆上节点X、Y向，放松其Z向的约束，将步骤b）中求得的支座反力反号施加至撑杆上节点，采用平衡矩阵理论求得单元内力的最小二乘解；

[0010] d）、再约束下部张拉索杆体系撑杆上节点的Z向，采用力密度法求解张拉体系的平衡形态；

[0011] e）、力密度法求解张拉索杆体系的平衡形态后，强制使需要保持竖直的撑杆下部自由节点的X、Y坐标等于上部约束节点的X、Y坐标；

[0012] f）、将撑杆分组，确定各组撑杆中起长度控制的杆件为主要杆，并确定各组撑杆中主要杆的长度为la1、la2、…、lan，其他为从属杆；

[0013] g）、在下部张拉索杆体系找形结果中提取各主要杆的长度l1、l2、…、ln；

[0014] h）、令主要杆的长度为la1、la2、…、lan，而各组从属杆的长度相应乘以对应主要杆的等比例缩放系数：la1/l1、la2/l2、…、lan/ln；

[0015] i）重复c）至h）步，可获得撑杆保持竖直且长度满足要求的找形结果。

[0016] 本发明所述的大开口索承网格结构的找形方法，其在所述找形方法中引入判定条件：R([A])≠R([A {P}])，式中R( )表示矩阵的秩，[A] 为力平衡矩阵， {Pt}为节点荷载矩阵，若该式成立，则所述找形方法中所求张拉索杆体系不存在，应调整上述步骤中的限制条件重新求解。

[0017] 本发明所述的大开口索承网格结构的找形方法，其将张拉索杆体系的变形向量引入张拉索杆形态中对形态进行微调，具体修正步骤如下：

[0018] Ⅰ)、将下部张拉索杆体系找形态与上部大开口刚性体系组合，得到整体模型，计算各荷载工况；

[0019] Ⅱ）、提取张拉索杆体系自由节点在需要适应的控制工况中的变形向量，将其作为修正向量叠加到自由节点坐标上；

[0020] Ⅲ）、采用上述e）～h）步骤进行撑杆竖直及长度修正；

[0021] Ⅳ）、以上步骤重复数次，可得到能兼顾其他荷载工况的张拉索杆体系形态。

[0022] 本发明可实现下部张拉索杆体系对上部刚性体系的合理支撑，可保持张拉索杆体系撑杆竖直、限制撑杆高度，在受力合理的同时达到美观的建筑效果，并可进一步修正索杆体系找形结果，使结构体系适合多种荷载工况，受力更加合理。

附图说明

[0023] 图1是本发明的流程图。

[0024] 图2是本发明中形态修正流程图。

[0025] 图3是上部大开口刚性体系与下部张拉索杆体系组合模型。

[0026] 图4是上部大开口刚性体系模型。

[0027] 图5是下部张拉索杆体系中放松撑杆上节点Z向约束的模型。

[0028] 图6是找形分析模型。

[0029] 图7是本发明中大开口索承网格结构的示意图。

[0030] 图中标记：1为环索，2为径向拉索，3为撑杆，4为斜腹杆，5为上弦环向主杆，6为上弦径向主杆，7为外圈环梁。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图，对本发明作详细的说明。

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

[0033] 如图1-6所示，一种大开口索承网格结构的找形方法，包括以下步骤：

[0034] a)、将大开口索承网格结构拆分成上部大开口刚性体系与下部张拉索杆体系，所述下部张拉索杆体系中的撑杆对上部大开口刚性体系进行支撑， 所述撑杆与上部大开口刚性体系的交点为撑杆上节点；

[0035] b）、约束上部大开口刚性体系中的撑杆上节点Z向，计算指定荷载工况作用下该节点对应的支座反力；

[0036] c）、约束下部张拉索杆体系中的撑杆上节点X、Y向，放松其Z向的约束，将步骤b）中求得的支座反力反号施加至撑杆上节点，采用平衡矩阵理论求得单元内力的最小二乘解；

[0037] d）、再约束下部张拉索杆体系撑杆上节点的Z向，采用力密度法求解张拉体系的平衡形态；

[0038] e）、力密度法求解张拉索杆体系的平衡形态后，强制使需要保持竖直的撑杆下部自由节点的X、Y坐标等于上部约束节点的X、Y坐标；

[0039] f）、将撑杆分组，确定各组撑杆中起长度控制的杆件为主要杆，并确定各组撑杆中主要杆的长度为la1、la2、…、lan，其他为从属杆；

[0040] g）、在下部张拉索杆体系找形结果中提取各主要杆的长度l1、l2、…、ln；

[0041] h）、令主要杆的长度为la1、la2、…、lan，而各组从属杆的长度相应乘以对应主要杆的等比例缩放系数：la1/l1、la2/l2、…、lan/ln；

[0042] i）重复c）至h）步，可获得撑杆保持竖直且长度满足要求的找形结果。

[0043] 由于在上述找形方法中加入了限制条件，导致可能没有任何一种张拉索杆形态满足所有条件，为矛盾线性方程组，因此，在所述找形方法中引入判定条件：R([A])≠R([A {P}])，式中R( )表示矩阵的秩，[A] 为力平衡矩阵， {Pt}为节点荷载矩阵，若该式成立，则所述找形方法中所求张拉索杆体系不存在，应调整上述步骤中的限制条件重新求解。

[0044] 通过以上步骤求得的索杆体系形态对所求荷载工况为优化解，但很可能在其他荷载工况出现局部变形、内力过大的情况，结构在某荷载工况下的变形分布实际上反映了结构刚度的需求分布：变形大的部位相对需要更大的刚度，变形小的部位相对需求较小的刚度，张拉索杆体系的变形在某种程度上可视为对刚度需求的自我调节。基于此，将张拉索杆体系的变形向量引入张拉索杆形态中对形态进行微调，使之能兼顾适应于其他的荷载工况，由以上思路，具体修正步骤如下：

[0045] Ⅰ)、将下部张拉索杆体系找形态与上部大开口刚性体系组合，得到整体模型，计算各荷载工况；

[0046] Ⅱ）、提取张拉索杆体系自由节点在需要适应的控制工况中的变形向量，将其作为修正向量叠加到自由节点坐标上；

[0047] Ⅲ）、采用上述e）～h）步骤进行撑杆竖直及长度修正；

[0048] Ⅳ）、以上步骤重复数次，可得到能兼顾其他荷载工况的张拉索杆体系形态。

[0049] 如图7所示，所述大开口索承网格结构包括上弦刚性网格体系以及下弦张拉索杆体系，所述上弦刚性网格体系和下弦张拉索杆体系分别与外圈环梁铰接，所述外圈环梁7与支撑体系固定连接。

[0050] 其中，所述上弦刚性网格体系为中部有大开口结构，所述上弦刚性网格体系为由上弦环向主杆5和上弦径向主杆6组成的环形网格结构，所述下弦张拉索杆体系包括设置在上弦刚性网格体系的开口处对应下方的环索1以及沿环索1径向呈车辐式布置的若干径向拉索2，其中，所述径向拉索布置有42道且均匀分布，所述环索采用六根Φ121拉索结构构成，所述径向拉索2端部与环索1铰接，在所述径向拉索2与上弦刚性网格体系之间、沿径向拉索2的布置方向设置有撑杆3，所述撑杆3两端分别与径向拉索2和上弦刚性网格体系铰接，每根径向拉索上设置三根撑杆，起到对上弦的支撑作用，实现通过拉索支撑刚性上弦的结构体系；由于上弦大开口的结构设计，严重削弱了上弦刚性网格结构的刚度和承载力，因此，在所述环索1与上弦刚性网格体系之间、沿环索1的环向设置有斜腹杆4，所述斜腹杆4两端分别与环索1和上弦刚性网格体系铰接，所述斜腹杆4沿环索1的环向、在环索1与上弦刚性网格体系之间形成连续的V形，形成环向桁架结构，从而进一步加强了上弦刚性网格结构的刚度，有效弥补了上弦刚性网格体系因大开口结构而造成的相应问题。

[0051] 其中，所述上弦径向主杆6和径向拉索2端部分别与外圈环梁7铰接，所述撑杆3设置在径向拉索2与对应的上弦径向主杆6之间，所述斜腹杆4设置在环索1与对应的靠近开口处的上弦环向主杆5之间，所述撑杆3和斜腹杆4的上端部与上弦刚性网格体系的铰接点均位于上弦刚性网格体系中上弦环向主杆5与上弦径向主杆6的结合处。

[0052] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。