CN102733525B - 一种基于承载全过程开口式整体张拉结构多阶段设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，是拟合开口式预应力整体张拉结构承载全过程所体现的四阶段荷载‑力学响应特征的承载全过程设计方法，该方法采用符合索网非线性柔性结构力学响应特征的多阶段目标控制方法，并提供了各阶段设计指标确定方法，具体包括以下步骤：步骤1，确定相关参数，并采用非线性迭代方法计算，进行结构承载全过程分析，绘制结构响应曲线；步骤2，确定结构响应阶段①，在永久荷载及1倍可变荷载作用下承载能力及竖向变形能力安全控制条件，进行结构设计；步骤3‑5，依次确定结构响应阶段②‑④的承载能力及竖向变形能力安全控制条件，进行结构设计，直至满足所有安全控制条件完成结构设计。

Description

一种基于承载全过程开口式整体张拉结构多阶段设计方法

技术领域

本发明涉及预应力钢结构领域，具体而言是一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法。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极限状态的全过程。

背景技术

开口式预应力整体张拉结构以钢索为主受力构件，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。开口式整体张拉主体结构由两个部分构成（见图6、图7）：由环索（1）、吊索（2）、脊索（3）、谷索（4）形成了结构中部开口的连续张力索网，周边支撑结构（6）。索膜次结构包括由张紧于脊索、谷索之上的膜和辅助次索（5）。预应力的施加使开口式整体索网从机构演变为结构，并能承受设计使用荷载，所以张力索网是开口式预应力整体张拉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。该结构体系属于以 “小应变—大竖向变形”为主要特征的非线性柔性结构。

由于开口式预应力整体张拉结构体系新颖，受到设计理论、设计手段的制约，以往开口式预应力整体张拉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、体系弹性竖向变形能力设计。上述设计方法无法反映由加载至破坏全过程结构力学特性，从而无法充分揭示结构各受力阶段的安全控制要素，不能完全满足预应力整体张拉结构安全设计要求。上述设计方法已远落后于一般较常规的建筑工程采用的“弹性—非线性”二阶段设计方法，更不能满足具备非线性大竖向变形特征的柔性结构体系特性要求。

为改进和完善工程设计，本发明以大量试验及计算分析为基础，针对非线性竖向变形特征明显的开口式整体张拉柔性结构，提出适合于开口式预应力整体张拉结构的一种基于结构承载全过程的多阶段设计方法。

发明内容

目前采用的开口式预应力整体张拉结构设计方法仅限于永久荷载及1倍可变荷载作用下的弹性阶段设计，主要包括构件弹性承载力设计、体系弹性竖向变形能力设计，无法反映由加载至破坏全过程结构力学特性，从而无法充分揭示结构各受力阶段的安全控制要素，不能完全满足结构安全设计要求。

开口式预应力整体张拉结构体系属于以非线性大竖向变形为主要特征的柔性索网结构，在荷载作用下的结构响应与一般较常规的以刚性结构为主的建筑工程完全不同，目前采用的弹性阶段设计方法，无法反映开口式预应力整体张拉结构非线性大竖向变形特征，从而无法实现对该类柔性结构的承载能力及竖向变形能力的安全控制。

基于上述原因，目前采用的设计方法无法完全满足开口式预应力整体张拉结构安全性、经济性、合理性要求。

本发明的目的在于提供一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段目标控制设计方法，同时提供各阶段设计指标确定方法，以充分体现开口式预应力整体张拉结构承载全过程“小应变—大竖向变形” 柔性结构特征，解决现有开口式预应力整体张拉结构设计方法存在的技术问题，实现开口式预应力整体张拉结构设计的安全性、经济性、合理性。

根据开口式预应力整体张拉结构承载全过程所体现的结构非线性特性（见图2），结构力学响应变化过程依次分为如下几个阶段：阶段(弹性阶段)，荷载由预应力张拉加自重的结构成形态增加到由永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用的结构正常使用态，谷索拉应力逐渐下降，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形；阶段，谷索松弛或拉应力下降至最低点，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段，谷索再次拉紧，所有拉索拉应力接近按线性增长，直至受拉屈服，环索非线性竖向变形；最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段，拉索拉应力按非线性增长，应力增量倍数小于荷载增量倍数，直至拉索拉断破坏，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数大于荷载增量倍数，结构丧失承载力。其中，荷载增量倍数即施加荷载与1倍可变荷载的比值；竖向变形增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的结构竖向变形与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的结构竖向变形的比值；应力增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的拉索应力与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的拉索应力的比值；施加荷载是指除永久荷载（如结构自重等）外，施加在结构上的荷载；附图中，结构响应阶段以Li表示。

所述的一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，其特征为：开口式预应力整体张拉结构承载全过程分析研究中，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。分析采用大型通用有限元程序，优先采用ANSYS、ABAQUS等软件，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解（图1）。

所述的一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，其特征为：通过上述计算模型及计算方法确定一种能够反映结构各受力阶段的切实可行的承载全过程多步骤设计方法，并计算确定承载全过程中体系的承载能力、竖向变形能力、拉索应力等参数变化关系。

所述的一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法具体步骤如下：

步骤1，根据相关设计标准，确定索体弹性模量、屈服强度、极限强度б_u、线膨胀系数、索夹连接节点摩擦系数及其约束刚度等参数。上述参数建议通过相关力学实验复核。采用前文所述的计算软件，建立与建筑情况一致的仿真计算模型，并将上述参数输入计算模型，按照前文所述的计算仿真分析方法，进行开口式预应力整体张拉结构承载全过程分析。拉索预拉应力б₀可采用0.2~0.3б_u，根据分析结论，确定各结构力学响应阶段，并绘制相关结构响应曲线（图2~图4）。

步骤2，根据结构响应阶段(弹性阶段)，永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用，计算得出索体拉应力б₁，以0<б₁≤(0.35~0.5)б_u作为阶段承载力安全条件；计算得出环索竖向变形值d1及谷索竖向变形后的曲线倾角α1，d1为永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下环索竖向变形值；α1为永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用产生竖向变形后的谷索曲线上任意点的切线与水平线的夹角，以d₁≤[d₁]，α₁≥[α]作为阶段竖向变形能力安全条件，其中[d₁]为满足膜结构排水、排雪、美观等建筑使用要求，确定的永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下环索最大允许竖向变形值[d₁]，取L/(60~85)，L为开口式预应力整体张拉结构悬挑长度，[α₁]为永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下谷索竖向变形后的曲线倾角最小允许值，[α₁]取值范围为5~7度。并以满足上述要求为条件，确定拉索预拉应力б₀的合理性。

若分析结果不满足本步骤上述控制要求，应采取调整钢索预拉应力б₀、改变体系布局、增加拉索刚度或承载力等方式，重新按照步骤1、步骤2进行设计，直至满足要求。

步骤3，根据结构响应阶段，谷索松弛或拉应力下降至最低点的荷载增量倍数P_s/P₁，以P_s/P₁≥K_s，作为阶段弹性承载能力安全条件，其中P_s为谷索松弛或拉应力下降至最低点的荷载，K_s为体系弹性承载能力系数，可取K_s=1.3~1.8；以d_s/d₁≥γ(P_s/P₁)作为阶段弹性竖向变形能力安全条件，γ为系数，可取γ=1.0~1.2，d_s为谷索松弛或拉应力下降至最低点的施加荷载（P_s）作用下，环索竖向变形值；d_s/d₁为弹性竖向变形能力系数。

若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力等方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3进行设计， 直至满足要求。

步骤4，根据结构响应阶段，以拉索屈服时对应的荷载增量倍数P_y/P₁≥K_y作为阶段体系屈服承载能力安全条件，其中P_y为拉索屈服时对应的荷载，K_y为体系屈服承载力系数，可取K_y=5.0~6.5；计算得出拉索屈服时对应的环索竖向变形值d_y，拉索屈服时对应的谷索竖向变形后的曲线倾角α_y，以d_y≤[d_y]，α_y≥[α_y]作为阶段竖向变形能力安全条件，其中[d_y]为拉索屈服时环索最大允许竖向变形值，取L/(12~20)，[α_y]为拉索屈服时谷索竖向变形后的曲线倾角最小允许值，[α_y]≥0度。

若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力等方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4进行设计，直至满足要求。

步骤5，根据结构响应阶段，以拉索极限破段时对应的荷载增量倍数P_u/P_y≥K_u作为阶段体系极限承载能力安全条件；计算得出拉索极限破段时对应的环索竖向变形值d_u，以d_u/d_y≥γ(P_u/P_y)作为阶段体系极限竖向变形能力安全条件。其中P_u为拉索极限破段时对应的荷载；K_u为体系承载能力延性系数，可取K_u=1.4~1.8；d_u/d_y为体系竖向变形能力延性系数；γ为系数，可取γ=1.0~1.2。

若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力等方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5进行设计，直至满足要求。

说明：谷索松弛指谷索出现拉应力为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) 本基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，完全拟合了开口式预应力整体张拉结构由加载至破坏全过程力学响应，充分揭示结构各受力阶段的安全控制要素，充分体现承载全过程开口式预应力整体张拉结构非线性柔性结构特征，解决现有开口式预应力整体张拉结构设计方法存在的技术问题。

(2) 本设计方法发明，对开口式预应力整体张拉结构进行多阶段设计控制，通过对各阶段承载能力安全指标的控制，实现了结构承载力安全性能及延性性能的要求。

(3) 本设计方法发明，通过分析确定结构竖向变形能力线及结构竖向变形延性能力线，并以结构竖向变形能力系数及结构竖向变形延性能力系数作为设计控制指标，实现了结构竖向变形安全性能及延性性能的要求。

(4) 本设计方法发明，采用了较为先进的基于结构承载全过程的多阶段设计目标控制，弥补了现有只进行弹性阶段设计的设计方法的不足，更好的实现了工程安全性、经济性、合理性。

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为施加荷载P与环索竖向变形d关系曲线。

图3为施加荷载P与谷索应力σ关系曲线。

图4为施加荷载P与环索应力σ关系曲线。

图5为谷索竖向变形示意图。

图6为本发明实施例中开口式预应力整体张拉结构构成。

图7为本发明实施例中开口式预应力整体张拉结构剖面示意图。

图8为本发明实施例中开口式预应力整体张拉结构三维示意图。

图9本发明方法的流程图。

附图标记说明：

图1中，横坐标d表示竖向变形，纵坐标P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，纵坐标轴d表示结构环索竖向变形；横坐标为施加荷载P。L_i表示承载力全过程分析中的不同结构响应阶段。

图3中，纵坐标轴σ_g表示谷索应力；横坐标为施加荷载P。L_i表示承载力全过程分析中的不同结构响应阶段。

图5中，α_i为谷索竖向变形后的曲线倾角，2表示谷索。

图6~8中，1表示环索，2表示谷索，3表示脊索，4表示吊索，5表示膜索，6周边支撑结构。

具体实施方式

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。

某开口式整体张拉屋盖结构工程，如图7，结构最大悬挑长度43m，结构最大高度65m，整个屋盖结构体系通过由径向吊索4、膜结构脊索3和谷索2、膜索5、环索1和周边支撑结构6而成。其基于承载全过程的多阶段目标控制设计方法步骤如下：

步骤1：根据相关国家设计标准，确定索体弹性模量E _s =1.6×10⁵MPa，（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。

依据试验室试验结果，将结构材料模型设定为材料非线性属性；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。拉索预拉应力为б₀=334Mpa，根据分析结论，确定各结构力学响应阶段，并绘制相关结构响应曲线（图2~图4）。

步骤2：经计算，在永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下，拉索最大拉应力为б₁=580Mpa <0.4x1670 Mpa，最小拉应力为б_s=210Mpa>0，满足拉索材料承载力要求；环索竖向变形值为d₁=476mm<43000/85，满足在永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下环索最大允许竖向变形值的要求。确定雪荷载作用下谷索竖向变形后的曲线倾角为α₁=6度>5度，满足曲线倾角最小允许值的要求。由于上述各项指标均符合要求，表明拉索预拉应力采用б₀=334Mpa合理，可以进行下一步骤设计。

步骤3：在阶段，经分析得到，谷索拉应力下降至最低点的荷载增量倍数P_s/P₁为1.9，取K_s=1.8，P_s/P₁>K_s，符合本阶段弹性承载能力安全条件要求；经计算，拉应力下降至最低点时的环索竖向变形值d_s=1163mm，在永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下环索竖向变形值d₁=476mm，可以得到弹性竖向变形能力系数d_s/d₁=2.44，在步骤2中，取γ=1.2，可以得到d_s/d₁>γ(P_s/P₁)，符合本阶段弹性竖向变形能力安全条件要求。可以进行下一步骤设计。

步骤4：在阶段，经分析得到，拉索屈服时对应的荷载增量倍数P_y/P₁=8.2，取K_y=6.5，P_y/P₁>K_y，符合本阶段体系屈服承载能力安全条件要求；经计算，拉索屈服时的环索竖向变形值d_y=2863mm<[d_y]，[d_y]=L/15=2867mm，α_y=1.2度>0度，符合本阶段体系屈服竖向变形能力安全条件要求。可以进行下一步骤设计。

步骤5：在阶段，经分析得到，拉索极限破段时对应的荷载增量倍数P_u/P_y=1.85，取K_u=1.8，P_u/P_y>K_u符合本阶段体系极限承载能力安全条件要求；拉索极限破段时对应的环索竖向变形值d_u=6568mm，可以得到体系竖向变形能力延性系数d_u/d_y=2.45，经计算，取γ=1.2，d_u/d_y≥γ(P_u/P_y)符合本阶段体系极限竖向变形能力安全条件。

上述各步骤均满足，结构安全指标控制要求，设计完成。

Claims (3)

1.一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，其特征在于根据该结构承载全过程所体现的结构非线性特性将结构力学响应变化过程依次分为如下几个阶段：阶段①，即弹性阶段，荷载由预应力张拉加自重的结构成形态增加到由永久荷载及1倍可变荷载(P₁)共同作用的结构正常使用态，谷索拉应力逐渐下降，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形；阶段②，谷索松弛或拉应力下降至最低点，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段③，谷索再次拉紧，所有拉索拉应力接近按线性增长，直至受拉屈服，环索非线性竖向变形；最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段④，拉索拉应力按非线性增长，应力增量倍数小于荷载增量倍数，直至拉索拉断破坏，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数大于荷载增量倍数，结构丧失承载力；其中荷载增量倍数即施加荷载与1倍可变荷载的比值；竖向变形增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的结构竖向变形与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的结构竖向变形的比值；应力增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的拉索应力与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的拉索应力的比值；施加荷载是指除永久荷载外，施加在结构上的荷载；谷索松弛指谷索出现拉应力为0的情况；其具体步骤如下：步骤1，根据相关设计标准，确定索体弹性模量、屈服强度、极限强度б_u、线膨胀系数、索夹连接节点摩擦系数及其约束刚度参数；并将上述参数通过相关力学实验复核；采用ANSYS或ABAQUS等计算软件，建立与建筑情况一致的仿真计算模型，并将上述参数输入计算模型，通过分析计算，进行开口式预应力整体张拉结构承载全过程分析；拉索预拉应力б₀采用0.2～0.3б_u，根据分析结论，确定各结构力学响应阶段，并绘制相关结构响应曲线；

步骤2，根据结构响应阶段①，即弹性阶段，永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下，计算得出索体拉应力б₁，以0<б₁≤(0.35～0.5)б_u作为阶段①承载力安全条件；计算得出环索竖向变形值d1及谷索竖向变形后的曲线倾角α1，d1为永久荷载及1倍可变荷载共同作用下环索竖向变形值；α1为永久荷载及1倍可变荷载共同作用产生竖向变形后的谷索曲线上任意点的切线与水平线的夹角，以d₁≤[d₁]，α₁≥[α]作为阶段①竖向变形能力安全条件，其中[d₁]为满足膜结构排水、排雪、美观建筑使用要求，确定的永久荷载及1倍可变荷载共同作用下环索最大允许竖向变形值[d₁]，取L/(60～85)，L为开口式预应力整体张拉结构悬挑长度，[α₁]为永久荷载及1倍可变荷载共同作用下谷索竖向变形后的曲线倾角最小允许值，[α₁]取值范围为5～7度；并以满足上述要求为条件，确定拉索预拉应力б₀的合理性；若分析结果不满足本步骤上述控制要求，应采取调整钢索预拉应力б₀、改变体系布局、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2进行设计，直至满足要求；步骤3，根据结构响应阶段②，谷索松弛或拉应力下降至最低点的荷载增量倍数P_s/P₁，以P_s/P₁≥K_s，作为阶段②弹性承载能力安全条件，其中P_s为谷索松弛或拉应力下降至最低点的荷载，K_s为体系弹性承载能力系数，取K_s＝1.3～1.8；以d_s/d₁≥γ(P_s/P₁)作为阶段②弹性竖向变形能力安全条件，γ为系数，取γ＝1.0～1.2，d_s为谷索松弛或拉应力下降至最低点的施加荷载(P_s)作用下，环索竖向变形值；d_s/d₁为弹性竖向变形能力系数；若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3进行设计，直至满足要求；

步骤4，根据结构响应阶段③，以拉索屈服时对应的荷载增量倍数P_y/P₁≥K_y作为阶段③体系屈服承载能力安全条件，其中P_y为拉索屈服时对应的荷载，K_y为体系屈服承载力系数，取K_y＝5.0～6.5；计算得出拉索屈服时对应的环索竖向变形值d_y，拉索屈服时对应的谷索竖向变形后的曲线倾角α_y，以d_y≤[d_y]，α_y≥[α_y]作为阶段③竖向变形能力安全条件，其中[d_y]为拉索屈服时环索最大允许竖向变形值，取L/(12～20)，[α_y]为拉索屈服时谷索竖向变形后的曲线倾角最小允许值，[α_y]≥0度；若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4进行设计，直至满足要求；

步骤5，根据结构响应阶段④，以拉索极限破段时对应的荷载增量倍数P_u/P_y≥K_u作为阶段④体系极限承载能力安全条件；计算得出拉索极限破段时对应的环索竖向变形值d_u，以d_u/d_y≥γ(P_u/P_y)作为阶段④体系极限竖向变形能力安全条件；其中P_u为拉索极限破段时对应的荷载；K_u为体系承载能力延性系数，取K_u＝1.4～1.8；d_u/d_y为体系竖向变形能力延性系数；γ为系数，取γ＝1.0～1.2；若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5进行设计，直至满足要求，完成结构设计。

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于该结构承载全过程分析研究中，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；分析采用大型通用有限元程序，采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于通过上述计算模型及计算方法确定承载全过程中体系的承载能力、竖向变形能力、拉索应力的参数变化关系。