大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，可實現(xiàn)下部張拉索桿體系對上部剛性體系的合理支撐，可保持張拉索桿體系撐桿豎直、限制撐桿高度，在受力合理的同時達(dá)到美觀的建筑效果，并可進(jìn)一步修正索桿體系找形結(jié)果，使結(jié)構(gòu)體系適合多種荷載工況，受力更加合理。
【專利說明】大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及建筑工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于體育場的大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]張弦結(jié)構(gòu)在歐洲、日本很早就有應(yīng)用，由于最初上弦采用鋼梁，英文稱之為BeamString Structure。1986年日本大學(xué)Masao Saitoh教授將這種結(jié)構(gòu)定義為“將弦進(jìn)行張拉，與梁組合”，稱之為張弦梁，較早建成的張弦結(jié)構(gòu)如日本某幼兒園健身房，采用了平行布置的張弦梁，平面尺寸為26mX36m，Masao Saitoh教授設(shè)計的日本大學(xué)體育館也采用了平行布置的張弦梁，平面尺寸58mX85m。
[0003]近年來，張弦梁的應(yīng)用日益廣泛，上弦形式也從梁發(fā)展到拱、平面桁架、立體桁架、網(wǎng)殼，下弦形式也從索單向布置發(fā)展為雙向布置、空間布置等，跨度也從幾十米發(fā)展到120多米。隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的上升，目前全球大規(guī)模的張弦結(jié)構(gòu)主要集中在我國，其中代表性的工程如上海浦東國際機(jī)場一期航站樓(張弦梁，最大跨度82.6m)、廣州國際會展中心(張弦立體桁架，跨度126.6m)、國家體育館(雙向張弦桁架，114mX 114m)、南沙體育館(空間張弦結(jié)構(gòu)、直徑98m)。
[0004]目前已建成張弦結(jié)構(gòu)的上弦均為連續(xù)曲面的剛性體系，如梁、桁架、網(wǎng)殼等，故張弦結(jié)構(gòu)多運(yùn)用于場館、站臺等建筑。由于體育場中間常為露天的場地，故屋面為大開洞的曲面，若將張弦結(jié)構(gòu)剛性上弦中部設(shè)置為大開口結(jié)構(gòu)，會造成其上弦無法形成完整的殼體，要獲得滿足要求的剛度和承載力有很大的設(shè)計難度，因此，目前在全球還尚未見有張弦網(wǎng)格體系應(yīng)用于露天場地體育場的相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于:針對上述存在的問題，提供一種運(yùn)用于體育場的大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法。
[0006]本發(fā)明技術(shù)的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，其特征在于:包括以下步驟:
a)、將大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拆分成上部大開口剛性體系與下部張拉索桿體系，所述下部張拉索桿體系中的撐桿對上部大開口剛性體系進(jìn)行支撐,所述撐桿與上部大開口剛性體系的交點(diǎn)為撐桿上節(jié)點(diǎn)；
b)、約束上部大開口剛性體系中的撐桿上節(jié)點(diǎn)Z向，計算指定荷載工況作用下該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的支座反力；
C)、約束下部張拉索桿體系中的撐桿上節(jié)點(diǎn)X、Y向，放松其Z向的約束，將步驟b)中求得的支座反力反號施加至撐桿上節(jié)點(diǎn)，采用平衡矩陣?yán)碚撉蟮脝卧獌?nèi)力的最小二乘解；
d)、再約束下部張拉索桿體系撐桿上節(jié)點(diǎn)的Z向，采用力密度法求解張拉體系的平衡形態(tài)；e)、力密度法求解張拉索桿體系的平衡形態(tài)后，強(qiáng)制使需要保持豎直的撐桿下部自由節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)等于上部約束節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)；
f)、將撐桿分組，確定各組撐桿中起長度控制的桿件為主要桿，并確定各組撐桿中主要桿的長度為lal、la2>…、Ian，其他為從屬桿；
g)、在下部張拉索桿體系找形結(jié)果中提取各主要桿的長度Ip12、…、In ；
h)、令主要桿的長度為lal、la2、…、Ian，而各組從屬桿的長度相應(yīng)乘以對應(yīng)主要桿的等比例縮放系數(shù):1al/i” Ia2/12、…、lan/ln ；
i)重復(fù)C)至h)步，可獲得撐桿保持豎直且長度滿足要求的找形結(jié)果。
[0007]本發(fā)明所述的大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，其在所述找形方法中引入判定條件:R([A])古R([A {P}])，式中R()表示矩陣的秩，[A]為力平衡矩陣，為節(jié)點(diǎn)荷載矩陣，若該式成立，則所述找形方法中所求張拉索桿體系不存在，應(yīng)調(diào)整上述步驟中的限制條件重新求解。
[0008]本發(fā)明所述的大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，其將張拉索桿體系的變形向量引入張拉索桿形態(tài)中對形態(tài)進(jìn)行微調(diào)，具體修正步驟如下:
I )、將下部張拉索桿體系找形態(tài)與上部大開口剛性體系組合，得到整體模型，計算各荷載工況； II)、提取張拉索桿體系自由節(jié)點(diǎn)在需要適應(yīng)的控制工況中的變形向量，將其作為修正向量疊加到自由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)上；
III)、采用上述e)~h)步驟進(jìn)行撐桿豎直及長度修正；
IV)、以上步驟重復(fù)數(shù)次，可得到能兼顧其他荷載工況的張拉索桿體系形態(tài)。
[0009]本發(fā)明可實現(xiàn)下部張拉索桿體系對上部剛性體系的合理支撐，可保持張拉索桿體系撐桿豎直、限制撐桿高度，在受力合理的同時達(dá)到美觀的建筑效果，并可進(jìn)一步修正索桿體系找形結(jié)果，使結(jié)構(gòu)體系適合多種荷載工況，受力更加合理。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的流程圖。
[0011]圖2是本發(fā)明中形態(tài)修正流程圖。
[0012]圖3是上部大開口剛性體系與下部張拉索桿體系組合模型。
[0013]圖4是上部大開口剛性體系模型。
[0014]圖5是下部張拉索桿體系中放松撐桿上節(jié)點(diǎn)Z向約束的模型。
[0015]圖6是找形分析模型。
[0016]圖7是本發(fā)明中大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0017]圖中標(biāo)記:1為環(huán)索，2為徑向拉索，3為撐桿，4為斜腹桿，5為上弦環(huán)向主桿，6為上弦徑向主桿，7為外圈環(huán)梁。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
[0020]如圖1-6所示，一種大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，包括以下步驟:
a)、將大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拆分成上部大開口剛性體系與下部張拉索桿體系，所述下部張拉索桿體系中的撐桿對上部大開口剛性體系進(jìn)行支撐，所述撐桿與上部大開口剛性體系的交點(diǎn)為撐桿上節(jié)點(diǎn)；
b)、約束上部大開口剛性體系中的撐桿上節(jié)點(diǎn)Z向，計算指定荷載工況作用下該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的支座反力；
C)、約束下部張拉索桿體系中的撐桿上節(jié)點(diǎn)X、Y向，放松其Z向的約束，將步驟b)中求得的支座反力反號施加至撐桿上節(jié)點(diǎn)，采用平衡矩陣?yán)碚撉蟮脝卧獌?nèi)力的最小二乘解；
d)、再約束下部張拉索桿體系撐桿上節(jié)點(diǎn)的Z向，采用力密度法求解張拉體系的平衡形態(tài)；
e)、力密度法求解張拉索桿體系的平衡形態(tài)后，強(qiáng)制使需要保持豎直的撐桿下部自由節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)等于上部約束節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)；
f)、將撐桿分組，確定各組撐桿中起長度控制的桿件為主要桿，并確定各組撐桿中主要桿的長度為lal、la2>…、Ian，其他為從屬桿；
g)、在下部張拉索桿 體系找形結(jié)果中提取各主要桿的長度Ip12、…、In ；
h)、令主要桿的長度為lal、la2、…、Ian，而各組從屬桿的長度相應(yīng)乘以對應(yīng)主要桿的等比例縮放系數(shù):1al/i” Ia2/12、…、lan/ln ；
i)重復(fù)C)至h)步，可獲得撐桿保持豎直且長度滿足要求的找形結(jié)果。
[0021]由于在上述找形方法中加入了限制條件，導(dǎo)致可能沒有任何一種張拉索桿形態(tài)滿足所有條件，為矛盾線性方程組，因此，在所述找形方法中引入判定條件:R([A]) ^R([A{P}])，式中R()表示矩陣的秩，[A]為力平衡矩陣，{/y為節(jié)點(diǎn)荷載矩陣，若該式成立，則所述找形方法中所求張拉索桿體系不存在，應(yīng)調(diào)整上述步驟中的限制條件重新求解。
[0022]通過以上步驟求得的索桿體系形態(tài)對所求荷載工況為優(yōu)化解，但很可能在其他荷載工況出現(xiàn)局部變形、內(nèi)力過大的情況，結(jié)構(gòu)在某荷載工況下的變形分布實際上反映了結(jié)構(gòu)剛度的需求分布:變形大的部位相對需要更大的剛度，變形小的部位相對需求較小的剛度，張拉索桿體系的變形在某種程度上可視為對剛度需求的自我調(diào)節(jié)?；诖?，將張拉索桿體系的變形向量引入張拉索桿形態(tài)中對形態(tài)進(jìn)行微調(diào)，使之能兼顧適應(yīng)于其他的荷載工況，由以上思路，具體修正步驟如下:
I )、將下部張拉索桿體系找形態(tài)與上部大開口剛性體系組合，得到整體模型，計算各荷載工況；
II)、提取張拉索桿體系自由節(jié)點(diǎn)在需要適應(yīng)的控制工況中的變形向量，將其作為修正向量疊加到自由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)上；
III)、采用上述e)~h)步驟進(jìn)行撐桿豎直及長度修正；
IV)、以上步驟重復(fù)數(shù)次，可得到能兼顧其他荷載工況的張拉索桿體系形態(tài)。
[0023]如圖7所示，所述大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)包括上弦剛性網(wǎng)格體系以及下弦張拉索桿體系，所述上弦剛性網(wǎng)格體系和下弦張拉索桿體系分別與外圈環(huán)梁鉸接，所述外圈環(huán)梁7與支撐體系固定連接。
[0024]其中，所述上弦剛性網(wǎng)格體系為中部有大開口結(jié)構(gòu)，所述上弦剛性網(wǎng)格體系為由上弦環(huán)向主桿5和上弦徑向主桿6組成的環(huán)形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所述下弦張拉索桿體系包括設(shè)置在上弦剛性網(wǎng)格體系的開口處對應(yīng)下方的環(huán)索I以及沿環(huán)索I徑向呈車輻式布置的若干徑向拉索2，其中，所述徑向拉索布置有42道且均勻分布，所述環(huán)索采用六根Φ121拉索結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述徑向拉索2端部與環(huán)索I鉸接，在所述徑向拉索2與上弦剛性網(wǎng)格體系之間、沿徑向拉索2的布置方向設(shè)置有撐桿3，所述撐桿3兩端分別與徑向拉索2和上弦剛性網(wǎng)格體系鉸接，每根徑向拉索上設(shè)置三根撐桿，起到對上弦的支撐作用，實現(xiàn)通過拉索支撐剛性上弦的結(jié)構(gòu)體系；由于上弦大開口的結(jié)構(gòu)設(shè)計，嚴(yán)重削弱了上弦剛性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度和承載力，因此，在所述環(huán)索I與上弦剛性網(wǎng)格體系之間、沿環(huán)索I的環(huán)向設(shè)置有斜腹桿4，所述斜腹桿4兩端分別與環(huán)索I和上弦剛性網(wǎng)格體系鉸接，所述斜腹桿4沿環(huán)索I的環(huán)向、在環(huán)索I與上弦剛性網(wǎng)格體系之間形成連續(xù)的V形，形成環(huán)向桁架結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步加強(qiáng)了上弦剛性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的剛度，有效彌補(bǔ)了上弦剛性網(wǎng)格體系因大開口結(jié)構(gòu)而造成的相應(yīng)問題。
[0025]其中，所述上弦徑向主桿6和徑向拉索2端部分別與外圈環(huán)梁7鉸接，所述撐桿3設(shè)置在徑向拉索2與對應(yīng)的上弦徑向主桿6之間，所述斜腹桿4設(shè)置在環(huán)索I與對應(yīng)的靠近開口處的上弦環(huán)向主桿5之間，所述撐桿3和斜腹桿4的上端部與上弦剛性網(wǎng)格體系的鉸接點(diǎn)均位于上弦剛性網(wǎng)格體系中上弦環(huán)向主桿5與上弦徑向主桿6的結(jié)合處。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，其特征在于:包括以下步驟: a)、將大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)拆分成上部大開口剛性體系與下部張拉索桿體系，所述下部張拉索桿體系中的撐桿對上部大開口剛性體系進(jìn)行支撐,所述撐桿與上部大開口剛性體系的交點(diǎn)為撐桿上節(jié)點(diǎn)； b)、約束上部大開口剛性體系中的撐桿上節(jié)點(diǎn)Z向，計算指定荷載工況作用下該節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的支座反力； C)、約束下部張拉索桿體系中的撐桿上節(jié)點(diǎn)X、Y向，放松其Z向的約束，將步驟b)中求得的支座反力反號施加至撐桿上節(jié)點(diǎn)，采用平衡矩陣?yán)碚撉蟮脝卧獌?nèi)力的最小二乘解； d)、再約束下部張拉索桿體系撐桿上節(jié)點(diǎn)的Z向，采用力密度法求解張拉體系的平衡形態(tài)； e)、力密度法求解張 拉索桿體系的平衡形態(tài)后，強(qiáng)制使需要保持豎直的撐桿下部自由節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)等于上部約束節(jié)點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)； f)、將撐桿分組，確定各組撐桿中起長度控制的桿件為主要桿，并確定各組撐桿中主要桿的長度為lal、la2>…、Ian，其他為從屬桿； g)、在下部張拉索桿體系找形結(jié)果中提取各主要桿的長度Ip12、…、In ； h)、令主要桿的長度為lal、la2、…、Ian，而各組從屬桿的長度相應(yīng)乘以對應(yīng)主要桿的等比例縮放系數(shù):1al/i” Ia2/12、…、lan/ln ； i)重復(fù)C)至h)步，可獲得撐桿保持豎直且長度滿足要求的找形結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，其特征在于:在所述找形方法中引入判定條件:R([A])#R([A {P}])，式中R()表示矩陣的秩，[A]為力平衡矩陣，{Pt}為節(jié)點(diǎn)荷載矩陣，若該式成立，則所述找形方法中所求張拉索桿體系不存在，應(yīng)調(diào)整上述步驟中的限制條件重新求解。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大開口索承網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的找形方法，其特征在于:將張拉索桿體系的變形向量引入張拉索桿形態(tài)中對形態(tài)進(jìn)行微調(diào)，具體修正步驟如下: I )、將下部張拉索桿體系找形態(tài)與上部大開口剛性體系組合，得到整體模型，計算各荷載工況； II)、提取張拉索桿體系自由節(jié)點(diǎn)在需要適應(yīng)的控制工況中的變形向量，將其作為修正向量疊加到自由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)上； III)、采用上述e)~h)步驟進(jìn)行撐桿豎直及長度修正； IV)、以上步驟重復(fù)數(shù)次，可得到能兼顧其他荷載工況的張拉索桿體系形態(tài)。
【文檔編號】E04H3/14GK103953116SQ201410216559
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】向新岸, 馮遠(yuǎn), 陳文明, 劉宜豐 申請人:中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司