CN102733478A

CN102733478A - 一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法

Info

Publication number: CN102733478A
Application number: CN2012100957396A
Authority: CN
Inventors: 葛家琪; 张国军; 马伯涛; 刘鑫刚; 王树
Original assignee: CHINA AVIATION PLANNING AND CONSTRUCTION DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: China Aviation Planning and Design Institute Group Co Ltd
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: CN102733478B; US20150081256A1; WO2013149591A1

Abstract

本发明涉及一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法，该方法的指标是基于索穹顶承载全过程中的“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应特征确定，包括以下步骤：步骤①对索及索夹连接节点进行参数测定；步骤②进行索穹顶结构承载研究，得出稳定承载力、变形能力与索力等参数变化关系；步骤③以脊索不出现松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K，由步骤②以环索屈服为判别条件，计算索穹顶体系环索屈服荷载系数

和环索屈服体系大变形系数

；由步骤②以结构破坏为判别条件，计算索穹顶体系破坏荷载系数P _u和体系极限大变形系数D _u；步骤④，由步骤③求得的系数进一步求解得到稳定承载力系数

和体系大变形能力系数

。

Description

一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法

技术领域

本发明涉及预应力钢结构领域，更详细的说是一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法，尤其是涉及以索穹顶承载全过程中“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应为特征的，以仿真分析和试验为评判依据的指标确定方法。承载全过程：指从结构仅承受自重及索体初始预应力状态开始，对结构逐步增加荷载至结构破坏的全过程。

背景技术

索穹顶结构集新材料、新技术和新工艺于一体，具有合理的受力特性和较高的结构效率，是较能体现当代建筑先进材料、设计和施工技术水平的现代化结构体系之一。索穹顶主体结构由四个部分构成：由脊索、斜索、环索组成的连续张力索网，受压撑杆，中央拉力环，周边受压环桁架。索膜次结构包括由张紧于脊索之上的膜和设置在径向脊索之间的谷索。预应力的施加使索穹顶从机构演变为结构，并能承受设计使用荷载，所以张力索网是索穹顶结构的主要承力构件，它实现了“连续张力海洋”的结构力学先进理念。

以往索穹顶结构设计仅限于弹性阶段设计，主要包括构件弹性承载力设计、体系小变形能力设计。与既有发明不同的是，本发明以索穹顶承载全过程中的“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段特征评判为依据，得到体系弹性承载能力系数、体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数（以下简称三控指标系数），提出三控指标同时控制索穹顶结构体系静力延性安全性能的方法，为索穹顶结构设计指标的确定提供了科学的依据和方法。

发明内容

本发明的目的，就是提供一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法，其特征在于：该指标是基于索穹顶承载全过程中的“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应特征确定的，并且包括以下步骤：

步骤①，在试验室内对索进行材料力学试验，得到弹性模量、屈服强度、极限强度、线膨胀系数等参数；在试验室内对索及索夹连接节点进行力学试验，得到连接节点摩擦系数及其约束刚度等参数。

步骤②，进行索穹顶结构承载全过程分析研究。可通过计算仿真分析实现。依据试验室试验结果，将结构材料模型设定为非线性属性；依据试验结果在计算模型中考虑索的预应力损失及索夹节点约束刚度影响，并在计算过程考虑结构体系几何非线性。分析在ANSYS软件中进行，采用非线性迭代方法求解。计算得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力、索力等参数变化关系。

索穹顶结构承载全过程分析研究也可通过整体结构模型试验方法实现。试验得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力与索力等参数变化关系。

步骤③，以K倍设计荷载施加于索穹顶上，利用步骤②方法，以脊索不出现松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K；

根据步骤②方法，以环索屈服为判别条件，计算索穹顶体系环索屈服荷载系数和环索屈服体系大变形系数；

根据步骤②方法，以结构破坏为判别条件，计算索穹顶体系破坏荷载系数P _u和体系极限大变形系数D _u。

步骤④，由步骤③已经求得的、、P _u、D _u进一步求解得到索穹顶的体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数；结合步骤③确定的体系弹性承载能力系数K，构成本发明所涉及的三个设计指标。

说明：脊索松弛指脊索出现拉应力为0的情况；环索屈服指对于没有明显的屈服点高强钢绞线环索，当其应力超过0.8倍屈服应力的情况。

本发明具有如下有益效果：

(1) 通过大量仿真分析、试验和工程实践得到索穹顶结构承载全过程中“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应为特征；

(2) 为索穹顶结构体系安全设计提出基于承载全过程的三控指标系数的确定方法；

(3) 提出索穹顶结构三控指标系数同时控制的静力延性安全性能设计方法。

下面参照附图对本发明进一步说明。

附图说明

图1为结构承载全过程荷载-力学响应非线性迭代过程示意图。

图2为体系稳定承载力系数P与脊索应力σ关系曲线。

图3为体系稳定承载力系数P和大变形能力系数D的关系曲线。

图4本发明方法的流程图。

图5为本发明实施例中索穹顶屋盖结构构成。

图6为本发明实施例中荷载-脊索应力曲线。

图7为本发明实施例中荷载-环索应力曲线。

图8为本发明实施例中荷载-位移曲线。

图1中，横坐标U表示位移，纵坐标F表示恢复力，下角标i表示迭代过程第i步，为目标荷载。

图2中，横坐标轴σ表示脊索应力；纵坐标稳定承载力系数P为索穹顶体系稳定承载力与外荷载的比值，即：承载全过程分析中施加到结构中的荷载倍数。

图3中，横坐标大变形能力系数D为索穹顶体系竖向变形与跨度的比值，图3曲线命名为P-D曲线；

Figure 2012100957396100002DEST_PATH_IMAGE001

分别表示P-D曲线的体系破坏荷载系数和体系极限大变形系数；分别表示体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数。

图5中，1表示控制点；2表示径向的脊索，图中仅示意性标注了3条脊索； 3表示环索。

将步骤②的计算仿真分析方法简记为：双非线性分析。

图6中，曲线a表示双非线性分析求得的内脊索应力，曲线b表示双非线性分析求得的中脊索应力，曲线c表示双非线性分析求得的外脊索应力。

图7中，曲线a表示双非线性分析求得的中环索应力，曲线b表示双非线性分析求得的外环索应力。

图8中，曲线a表示双非线性分析求得的控制点的Ux向位移，曲线b表示双非线性分析求得的控制点的Uy向位移，曲线c表示双非线性分析求得的控制点的Uz向位移。

具体实施方式

结合具体实施例、附图说明，对本发明这种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法进行详细介绍。该方法通过以下步骤实现。

如图4所示流程：

步骤①：

在试验室内对索进行材料力学试验，得到弹性模量（E _s）、屈服强度（f _y）、极限强度（f _u）、线膨胀系数（a）；在试验室内对索及索夹连接节点进行力学试验，得到连接节点摩擦系数（u）及其约束刚度（k）。

步骤②：

进行索穹顶结构静力承载全过程分析研究。可通过计算仿真分析实现。依据试验室试验结果，将结构材料模型设定为非线性属性；依据试验结果在计算模型中考虑索的预应力损失及其索夹节点约束刚度影响，并在计算过程考虑结构体系几何非线性。分析在ANSYS软件中进行，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解（图1）。得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力与索力等参数变化关系。求解过程矩阵方程为：

Figure 2012100957396100002DEST_PATH_IMAGE002

式(1)

式中：

为n个荷载步、第i迭代步切向刚度矩阵；

Figure 2012100957396100002DEST_PATH_IMAGE004

为第n个荷载步的荷载向量；

为第n个荷载步、第i迭代步恢复力的向量。

索穹顶结构承载全过程分析研究也可通过模型试验方法实现。得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力与索力等参数变化关系。

步骤③：

以K倍设计荷载施加于索穹顶上，利用步骤②方法，以脊索不出现松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K。

如图2所示，通过步骤②方法的大量仿真分析研究或试验研究，得出该索穹顶承载全过程研究中的体系稳定承载力系数P与脊索应力σ关系曲线。曲线拐点可以看出，拐点出现前，索穹顶近似处于弹性工作承载，拐点的出现索穹顶受力性质发生重大变化，内力重新分布，因此，将此拐点定义为索穹顶体系弹性承载能力系数K，作为设计指标提出。

如图3所示，通过步骤②方法的大量仿真分析研究或试验研究，以环索屈服为判别条件，计算得出承载全过程中脊索松弛后的体系稳定承载力系数P和变形能力系数D的关系曲线。由索穹顶的固有特性可见，环索存在名义屈服点，即图3中拐点，将其定义为索穹顶体系环索屈服荷载系数和环索屈服体系变形系数。

如图3所示，通过步骤②方法的大量仿真分析研究或试验研究，以结构破坏为判别条件，得出承载全过程中脊索松弛后的体系稳定承载力系数P和变形能力系数D的关系曲线。由曲线得到索穹顶体系破坏荷载系数P _u和体系极限大变形系数D _u。

步骤④：

引入通过大量基于双非线性的荷载-位移全过程仿真分析、试验研究、工程实践得到的体系强度安全系数、体系变形延性安全系数和体系大变形系数允许值[D]，由步骤③并按照如下公式

Figure 2012100957396100002DEST_PATH_IMAGE006

式(2)

式(3)

求得索穹顶的体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数；结合步骤③确定的体系弹性承载能力系数K，构成本发明所涉及的三个设计指标。

其中P _[D]为对应于体系大变形系数允许值的荷载系数。

下面用实施例进一步对本发明的方法及其应用进行具体说明。

工程示例：某索穹顶屋盖结构工程

如图5，外围采用放射状布置大跨度钢管相贯桁架结构，屋盖中心为跨度71.2m肋环型索穹顶结构，矢高5.5m，设20道径向脊索2、2道环索3。

步骤①：

在试验室内对索进行材料力学试验，得到弹性模量E _s=1.9×10⁵MPa，（名义）屈服强度f _y=1330MPa，极限强度f _u=1670MPa，线膨胀系数a=1.2×10^-5/℃；在试验室内对索及索夹连接节点进行力学试验，得到连接节点摩擦系数及约束刚度等参数，计算中考虑3%的损失。

步骤②：

进行索穹顶结构承载全过程分析研究。依据试验室试验结果，将结构材料模型设定为非线性属性；并在计算过程考虑结构体系几何非线性和节点预应力损失。分析在ANSYS软件中进行，采用非线性迭代方法求解。

步骤③：

由步骤②承载全过程计算，得到图6。即：以K倍设计荷载施加于索穹顶上，以脊索不出现松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K=1.5较为合理。

由步骤②承载全过程计算，得到图7、图8。即：以环索屈服为判别条件，计算索穹顶体系环索屈服荷载系数和环索屈服体系变形系数。

承载全过程分析可以得出，外环索屈服时索穹顶体系环索屈服荷载系数=6.5，环索屈服体系变形系数=1/42。

以结构破坏为判别条件，承载全过程分析可以得出，索穹顶体系破坏荷载系数P _u=12和体系极限大变形系数D _u=1/13。

步骤④：

索穹顶体系强度安全系数取值范围为不大于1.5且不小于1.2，本工程案例取1.5；体系变形延性安全系数取值范围为不大于1.8且不小于1.2，本工程案例取1.8；体系大变形系数允许值[D]范围为1/30~1/50，本工程案例取1/40。

根据上述步骤得到的指标，可以得出体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数：

Figure 2012100957396100002DEST_PATH_IMAGE008

综上所述，可以得出基于承载全过程研究本示例工程的索穹顶结构设计指标确定方法，体系弹性承载能力系数K为1.5，体系稳定承载力系数为6.5，体系大变形能力系数为1/42。

Claims

1.一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标的确定方法，所述指标是基于索穹顶承载全过程中的“脊索松弛-环索屈服-结构破坏”三阶段荷载-力学响应特征确定，该方法包括以下步骤：

步骤①，在试验室内对索进行材料力学试验，得到弹性模量、屈服强度、极限强度、线膨胀系数参数；在试验室内对索及索夹连接节点进行力学试验，得到连接节点摩擦系数及其约束刚度参数；

步骤②，进行索穹顶结构承载全过程分析研究，得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力、索力变化关系；

步骤③，以K倍设计荷载施加于索穹顶上，利用步骤②方法，以脊索不出现松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K；根据步骤②方法，以环索屈服为判别条件，计算索穹顶体系环索屈服荷载系数和环索屈服体系大变形系数；根据步骤②方法，以结构破坏为判别条件，计算索穹顶体系破坏荷载系数P _u和体系极限大变形系数D _u；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述步骤中④中索穹顶结构设计时同时控制体系弹性承载能力系数K、体系稳定承载力系数和体系大变形能力系数。

3.如权利要求1-2所述的方法，其特征在于所述步骤②中，索穹顶结构承载全过程分析可通过计算仿真分析实现；依据试验室试验结果，将结构材料模型设定为非线性属性；依据试验结果在计算模型中考虑索的预应力损失及索夹节点约束刚度影响，并在计算过程考虑结构体系几何非线性；分析在ANSYS软件中进行，采用非线性迭代方法求解；计算得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力、索力等参数变化关系。

4.如权利要求1-3所述的方法，其特征在于所述步骤②中，索穹顶结构承载全过程分析可通过整体结构模型试验方法实现，试验得出承载全过程中体系的稳定承载力、变形能力与索力等参数变化关系。