CN108846168B - 一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：确定既有空间网格结构中每一根变形杆件的变形原因；步骤2)：根据变形杆件的变形原因，分别建立每一根变形杆件的模型，并相应设定模型修正参数；步骤3)：根据变形杆件的变形原因和设定的模型修正参数，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型；步骤4)：基于每一根变形杆件加载修正后的模型，得到既有空间网格结构模型，并对该既有空间网格结构模型进行分析，完成既有空间网格结构的剩余承载力评估，本发明可以广泛应用于既有空间网格结构承载力计算、结构评估与鉴定领域中。

Description

一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法

技术领域

本发明是关于一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，属于既有空间网格结构承载力计算、结构评估与鉴定领域。

背景技术

空间网格结构主要包括网架和网壳等钢结构，由于其具备跨越能力强、受力明确、整体刚度大和制作安装方便等特点，被广泛应用于大型公共建筑、工业厂房等领域中，如机场航站楼屋盖、大型体育场或演出场馆、大型工业厂房、煤炭与料场罩棚等。此类工程重要性高，建成之后，需要进行定期或不定期的结构安全检查、评估或结构安全性监测，以保障结构安全。

对既有或在役空间钢结构进行现场安全性检查，杆件弯曲变形是常见的结构损伤形式，跨度大、杆件数量多的空间网结结构经常会包含一根或数根轻微弯曲变形的杆件。但是，大量杆件的弯曲变形，或弯曲变形的快速发展，有可能导致空间网格结构的局部破坏或整体垮塌。杆件弯曲变形损伤的检出主要靠人工目视、全站仪和三维扫描等方法，其中，后两种方法可实现对杆件弯曲挠度的测量。在完成结构现场安全性检查后，需要使用结构建模、分析计算等方法完成对空间网格结构现有剩余承载力的评估，进一步得到结构安全性结论。因此，如何评估带弯曲变形损伤杆件的既有空间网格结构剩余承载力，是评估既有空间网格结构安全性的关键步骤。

对于带弯曲变形杆件的空间网格结构的剩余承载力评估，需要考虑杆件的弯曲变形后承载力与破坏准则，以及结构整体的承载力。研究表明，当杆件弯曲变形后，杆件的轴向刚度会发生变化，在考虑几何非线性等因素的情况下，整体空间网格结构的承载能力会发生变化；在承受地震、暴雪等极端荷载且考虑材料非线性的情况下，整体空间网格结构的承载能力变化将更明显。对带弯曲变形杆件的空间网格结构进行整体建模分析，可将带弯曲变形杆件简化为具有特定刚度曲线的弹簧单元，或将带弯曲变形杆件依据实际变形情况建模，后者的精度更高且计算更可靠，但建模过程存在较多问题。最重要的问题是，当测量杆件弯曲变形时，杆件和整体空间网格结构已经受荷，但建模时的模型是无荷载模型，如果直接利用实际测量的变形量建立带弯曲变形杆件的模型，整体空间网格结构加载后，这些带弯曲变形杆件的变形将进一步增大，与实际情况不符。然而，现有技术中并没有针对带弯曲变形杆件的空间网格结构建模与承载力精细分析的评估方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够精确分析带弯曲变形杆件的剩余承载力的既有空间网格结构剩余承载力的评估方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：确定既有空间网格结构中每一根变形杆件的变形原因；步骤2)：根据变形杆件的变形原因，分别建立每一根变形杆件的模型，并相应设定模型修正参数；步骤3)：根据变形杆件的变形原因和设定的模型修正参数，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型；步骤4)：基于每一根变形杆件加载修正后的模型，得到既有空间网格结构模型，并对该既有空间网格结构模型进行分析，完成既有空间网格结构的剩余承载力评估。

进一步地，所述步骤1)中变形杆件的变形原因包括初始缺陷变形和受荷变形。

进一步地，所述步骤2)中根据变形杆件的变形原因，分别建立每一根变形杆件的模型，并相应设定模型修正参数，具体为：A)对于初始缺陷变形的变形杆件，其模型为基于变形杆件的弯曲线型简化的一阶振型建立的变形杆件的模型，或为基于实际测量的完整表面模型建立的与变形杆件实际变形形状相同的模型；并设定模型修正参数为变形杆件的最大变形量；B)对于受荷变形的变形杆件，采用初始小变形叠加温度荷载方法，建立对应变形杆件的模型；并设定模型修正参数为对变形杆件施加的温度荷载。

进一步地，对于受荷变形的变形杆件，所述B)中采用初始小变形叠加温度荷载方法，建立对应变形杆件的模型，具体为：将每一根变形杆件分别建模为带有初始变形的变形杆件的初始模型；将每一根变形杆件的初始模型分别与既有空间网格结构模型连接，得到完整的既有空间网格结构模型，使得每一根变形杆件的初始模型两端均受到约束和限制；对完整的既有空间网格结构模型施加荷载组合，并对每一根变形杆件的初始模型施加温度荷载，得到对应变形杆件的模型。

进一步地，所述变形杆件的初始模型带有1/1000的初始变形，且所述变形杆件的初始模型为一阶振型或实际变形杆件的变形形状。

进一步地，所述步骤3)中根据变形杆件的变形原因和设定的模型修正参数，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型，具体为：步骤3.1)：对既有空间网格结构进行荷载调查，确定既有空间网格结构的受荷状态；步骤3.2)：根据每一根变形杆件的变形原因、设定的模型修正参数和实际测量的该变形杆件的最大变形量，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件模型的变形差率和变形加载修正系数：

其中，λ(n)为变形杆件模型的变形差率；γ(n)为变形杆件模型的变形加载修正系数；n为迭代次数；当变形杆件的变形原因为初始缺陷变形时，设定模型修正参数为D_I(n)；D_L(n)为变形杆件加载修正后的最大变形量；D_M为实际测量的变形杆件的最大变形量；针对初始缺陷变形，设定D_I(n)的初始值D_I(n＝1)为D_M；当变形杆件的变形原因为受荷变形时，设定模型修正参数为T(n)，设定变形杆件加载修正前且施加温度荷载T(n)后的最大变形量为D_I(n)；D_L(n)为变形杆件加载修正后且施加温度荷载T(n后的最大变形量；D_M为实际测量的变形杆件的最大变形量；针对受荷变形，设定T(n)的初始值T(n＝1)为任意值；步骤3.3)：根据每一根变形杆件的变形原因，调整该变形杆件加载修正前的最大变形量为D_I(n+1)＝γ(n)D_I(n)，或调整对该变形杆件施加的温度荷载为T(n+1)＝γ(n)T(n)，并计算调整后该变形杆件模型的变形差率λ(n)；步骤3.4)：根据既有空间网格结构的受荷状态，预先设定变形杆件模型的变形差率阈值λ，将每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)分别与预先设定的变形差率阈值λ进行对比，当每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)均小于预先设定的变形差率阈值λ时，则根据变形杆件的变形原因，对应输出变形杆件加载修正后的最大变形量D_L(n)，或输出变形杆件加载修正后且施加温度荷载T(n)后的最大变形量D_L(n)，得到每一根变形杆件加载修正后的模型，进入步骤4)；当每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)均大于预先设定的变形差率阈值λ时，进入步骤3.2)。

进一步地，所述步骤3)中对每一根变形杆件的模型进行加载修正采用全局优化算法，具体为：采用下述公式对每一根变形杆件的模型同时进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型f(x₁，x₂，…x_k)：

其中，x_k为第k根变形杆件加载修正前的初始变形量；D_L为对应变形杆件加载修正后的最大变形量；D_M为实际测量的对应变形杆件的最大变形量。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明针对不同原因导致的杆件变形，采用不同的方法进行变形杆件的建模与加载修正，从而更精细地模拟杆件变形，得到贴近于实际的变形杆件的模型。在此基础上，对完整的空间网格结构进行承载力分析，确定空间网格结构的剩余承载力，为带变形杆件的既有空间网格结构提供可靠的安全性评估，可以广泛应用于既有空间网格结构承载力计算、结构评估与鉴定领域中。

附图说明

图1是本发明中杆件变形的示意图，其中，图1(a)是杆件为初始缺陷变形的示意图，图1(b)是杆件为受荷变形的示意图；

图2是本发明中将变形杆件划分为单元的示意图；

图3是本发明中对变形杆件的模型进行加载修正的流程图，其中，图3(a)是杆件为初始缺陷变形时对变形杆件的模型进行加载修正的流程图，图3(b)是杆件为受荷变形时对变形杆件的模型进行加载修正的流程图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

本发明提供的既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，包括以下步骤：

1)确定既有空间网格结构中每一根变形杆件的变形原因，其中，变形原因包括初始缺陷变形和受荷变形，其中，初始缺陷变形是指杆件在生产过程中产生的明显初始弯曲变形或运输、安装过程中产生的弯曲变形，受荷变形是指杆件安装后由于结构受荷导致的弯曲变形，如图1所示。

2)根据变形杆件的变形原因，分别建立每一根变形杆件的模型，并相应设定模型修正参数。

2.1)对于初始缺陷变形，可以采用下述两种方法进行建模，得到变形杆件的模型，具体为：

2.1.1)将变形杆件的弯曲线型简化为一阶振型，并根据一阶振型建立变形杆件的模型，其中，一阶振型的最大位移量为变形杆件的最大变形量。在此基础上，将每一根变形杆件的模型分别划分为若干单元，变形杆件模型的单元轴向尺寸可以等于或小于变形杆件模型的塑性铰区域长度，如图2所示。

2.1.2)采用三维激光扫描或三维重建等处理，实际测量每一根变形杆件的完整表面模型，进而建立与每一根变形杆件实际变形形状完全相同的模型。在此基础上，将每一根变形杆件的模型分别划分为若干单元，变形杆件模型的单元轴向尺寸可以等于或小于变形杆件模型的塑性铰区域长度。

2.2)对于初始缺陷变形，设定模型修正参数为变形杆件的最大变形量，最终目标是使空间网格结构在施加实际测量时的荷载组合的情况下，变形杆件受荷后的变形量达到实际测量的最大变形量，模型的变形形状则等比例调整。

2.3)对于受荷变形，杆件开始是直的，在空间网格结构受荷后，杆件受压变为弯曲的变形杆件，因此，杆件弯曲是由两端明显的轴向力导致的，如果直接将杆件的模型建为弯曲的，将无法模拟杆件两端的轴向力。因此，采用初始小变形叠加温度荷载方法，“生成”杆件的弯曲变形，分别建立每一根变形杆件的模型，具体为：

2.3.1)将每一根变形杆件分别建模为带有1/1000(根据中国国标GB50017的要求)初始变形的变形杆件的初始模型，变形杆件的初始模型可以简化为一阶振型或准确定义为实际变形杆件的变形形状。

2.3.2)将每一根变形杆件的初始模型分别与既有空间网格结构模型连接，组装为完整的既有空间网格结构模型，使得变形杆件的初始模型两端受到约束和限制。

2.3.3)对完整的既有空间网格结构模型施加实际测量时的荷载组合，并对每一根变形杆件的初始模型均施加温度荷载，使得每一根变形杆件初始模型的变形量均增大，得到每一根变形杆件的模型。对既有空间网格结构模型施加荷载组合，既有空间网格结构模型中该变形杆件模型的变形量将有所变化，杆件的弯曲变形会增大或减小。

2.4)对于受荷变形，设定模型修正参数为对变形杆件施加的温度荷载，最终目标是使既有空间网格结构在施加实际测量时的荷载组合的情况下，每一根变形杆件受荷后的变形量达到实际测量的最大变形量，模型的变形形状则等比例调整。

3)完成变形杆件的建模后，必须对变形杆件的模型进行加载修正，保证整体既有空间网格结构在受荷后变形杆件的变形量与实际测量的最大变形量相同，如图3所示，根据每一根变形杆件的变形原因和设定的模型修正参数，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型，具体为：

3.1)对既有空间网格结构进行荷载调查，确定既有空间网格结构的受荷状态，以此作为建模时既有空间网格结构的正常使用荷载，加载修正后确保在此荷载作用下每一根变形杆件的变形量与实际测量的最大变形量相同，其中，既有空间网格结构的荷载包括恒荷载、检修活荷载、风荷载和雪荷载等，恒荷载包括主体结构、屋面、马道与灯具自重以及其它吊挂荷载，通过荷载调查，可以明确实际既有空间网格结构的恒荷载具体包括哪些内容，是否有检修荷载，同时可以根据天气情况确定当前既有空间网格结构的风荷载与雪荷载大小。

3.2)根据每一根变形杆件的变形原因、设定的模型修正参数和实际测量的该变形杆件的最大变形量，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到变形杆件模型的变形差率和变形加载修正系数：

其中，λ(n)为变形杆件模型的变形差率；γ(n)为变形杆件模型的变形加载修正系数；n为迭代次数；当变形杆件的变形原因为受荷变形时，设定模型修正参数即变形杆件加载修正前的最大变形量为D_I(n)；D_L(n)为变形杆件加载修正后的最大变形量；D_M为实际测量的变形杆件的最大变形量。针对初始缺陷变形，设定D_I(n)的初始值D_I(n＝1)为D_M。当变形杆件的变形原因为受荷变形时，设定模型修正参数即对变形杆件施加的温度荷载为T(n)，设定变形杆件加载修正前且施加温度荷载T(n)后的最大变形量为D_I(n)；D_L(n)为变形杆件加载修正后且施加温度荷载T(n)后的最大变形量；D为实际测量的变形杆件的最大变形量。针对受荷变形，设定T(n)的初始值T(n＝1)为任意值。

在受荷变形的情况下，向杆件施加不同的温度荷载，由于杆件两端受约束，杆件将发生弯曲变形，通过迭代过程，对每一根变形杆件均施加温度荷载T(n)、整体既有空间网格结构施加正常使用荷载后，弯曲杆件的变形量D_L(n)与实际测量的变形杆件的最大变形量D_M相同，因此当变形杆件的变形原因为受荷变形时，采用调整温度荷载的方法对变形杆件的模型进行加载修正。

3.3)根据每一根变形杆件的变形原因，调整该变形杆件加载修正前的最大变形量为D_I(n+1)＝γ(n)D_I(n)，或调整对该变形杆件施加的温度荷载为T(n+1)γ(n)T(n)，并计算调整后每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)。

3.4)根据既有空间网格结构的受荷状态，预先设定变形杆件模型的变形差率阈值λ，将每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)分别与预先设定的变形差率阈值λ进行对比，当每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)均小于预先设定的变形差率阈值λ时，则根据变形杆件的变形原因，对应输出变形杆件加载修正后的最大变形量D_L(n)，或输出变形杆件加载修正后且施加温度荷载T(n)后的最大变形量D_L(n)，得到每一根变形杆件加载修正后的模型，进入步骤4)；当每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)均大于预先设定的变形差率阈值λ时，进入步骤3.2)。

4)基于每一根变形杆件加载修正后的模型，得到既有空间网格结构模型，并在不同的荷载组合下，考虑几何非线性与材料非线性，对既有空间网格结构模型进行分析与剩余承载力计算，完成既有空间网格结构的剩余承载力评估，其中，对既有空间网格结构模型进行精细分析与承载力计算可以采用现有技术公开的评估方法，具体过程在此不多做赘述。

上述步骤3)中，当既有空间网格结构中存在多根变形杆件时，在加载修正既有空间网格结构中某一根变形杆件变形量的同时，其它变形杆件的弯曲变形也会发生变化，应统一加载修正。因此，采用全局优化算法例如信赖域反射算法(trust regionreflective)，对每一根变形杆件的模型同时进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型f(x₁，x₂，…x_k)：

其中，x_k为第k根变形杆件加载修正前的初始变形量；D_L为对应变形杆件加载修正后的最大变形量；D_M为实际测量的对应变形杆件的最大变形量。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：确定既有空间网格结构中每一根变形杆件的变形原因，变形杆件的变形原因包括初始缺陷变形和受荷变形；

步骤2)：根据变形杆件的变形原因，分别建立每一根变形杆件的模型，并相应设定模型修正参数，具体为：

A)对于初始缺陷变形的变形杆件，其模型为基于变形杆件的弯曲线型简化的一阶振型建立的变形杆件的模型，或为基于实际测量的完整表面模型建立的与变形杆件实际变形形状相同的模型；

并设定模型修正参数为变形杆件的最大变形量；

B)对于受荷变形的变形杆件，采用初始小变形叠加温度荷载方法，建立对应变形杆件的模型；

并设定模型修正参数为对变形杆件施加的温度荷载；

步骤3)：根据变形杆件的变形原因和设定的模型修正参数，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型；

步骤4)：基于每一根变形杆件加载修正后的模型，得到既有空间网格结构模型，并对该既有空间网格结构模型进行分析，完成既有空间网格结构的剩余承载力评估。

2.如权利要求1所述的一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，所述B)中对于受荷变形的变形杆件，采用初始小变形叠加温度荷载方法，建立对应变形杆件的模型，具体为：

将每一根变形杆件分别建模为带有初始变形的变形杆件的初始模型；

将每一根变形杆件的初始模型分别与既有空间网格结构模型连接，得到完整的既有空间网格结构模型，使得每一根变形杆件的初始模型两端均受到约束和限制；

对完整的既有空间网格结构模型施加荷载组合，并对每一根变形杆件的初始模型施加温度荷载，得到对应变形杆件的模型。

3.如权利要求2所述的一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，所述变形杆件的初始模型带有1/1000的初始变形，且所述变形杆件的初始模型为一阶振型或实际变形杆件的变形形状。

4.如权利要求1所述的一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，所述步骤3)中根据变形杆件的变形原因和设定的模型修正参数，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型，具体为：

步骤3.1)：对既有空间网格结构进行荷载调查，确定既有空间网格结构的受荷状态；

步骤3.2)：根据每一根变形杆件的变形原因、设定的模型修正参数和实际测量的该变形杆件的最大变形量，对每一根变形杆件的模型进行加载修正，得到每一根变形杆件模型的变形差率和变形加载修正系数：

其中，λ(n)为变形杆件模型的变形差率；γ(n)为变形杆件模型的变形加载修正系数；n为迭代次数；

当变形杆件的变形原因为初始缺陷变形时，设定模型修正参数为D_I(n)；D_L(n)为变形杆件加载修正后的最大变形量；D_M为实际测量的变形杆件的最大变形量；针对初始缺陷变形，设定D_I(n)的初始值D_I(n＝1)为D_M；

当变形杆件的变形原因为受荷变形时，设定模型修正参数为T(n)，设定变形杆件加载修正前且施加温度荷载T(n)后的最大变形量为D_I(n)；D_L(n)为变形杆件加载修正后且施加温度荷载T(n)后的最大变形量；D_M为实际测量的变形杆件的最大变形量；针对受荷变形，设定T(n)的初始值T(n＝1)为任意值；

步骤3.3)：根据每一根变形杆件的变形原因，调整该变形杆件加载修正前的最大变形量为D_I(n+1)＝γ(n)D_I(n)，或调整对该变形杆件施加的温度荷载为T(n+1)＝γ(n)T(n)，并计算调整后该变形杆件模型的变形差率λ(n)；

步骤3.4)：根据既有空间网格结构的受荷状态，预先设定变形杆件模型的变形差率阈值λ，将每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)分别与预先设定的变形差率阈值λ进行对比，当每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)均小于预先设定的变形差率阈值λ时，则根据变形杆件的变形原因，对应输出变形杆件加载修正后的最大变形量D_L(n)，或输出变形杆件加载修正后且施加温度荷载T(n)后的最大变形量D_L(n)，得到每一根变形杆件加载修正后的模型，进入步骤4)；当每一根变形杆件模型的变形差率λ(n)均大于预先设定的变形差率阈值λ时，进入步骤3.2)。

5.如权利要求4所述的一种既有空间网格结构剩余承载力的评估方法，其特征在于，所述步骤3)中对每一根变形杆件的模型进行加载修正采用全局优化算法，具体为：

采用下述公式对每一根变形杆件的模型同时进行加载修正，得到每一根变形杆件加载修正后的模型f(x₁,x₂,…x_k)：

其中，x_k为第k根变形杆件加载修正前的初始变形量；D_L为对应变形杆件加载修正后的最大变形量；D_M为实际测量的对应变形杆件的最大变形量。

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