CN109214075A - 杆件长度误差允许值确定方法及索杆预张力结构验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆件长度误差允许值确定方法及索杆预张力结构验证方法。所述长度误差允许值确定方法包括以下步骤：(1)确定其长度误差允许值搜索空间；(2)迭代计算搜索结构杆件长度误差允许值。所述索杆预张力结构验证方法包括以下步骤：A、按照拓扑关系和几何特征进行杆件分类；B、确定结构杆件对应长度误差允许值；C、验算：判断结构是否满足最大挠度的正常使用极限状态要求。本发明提供的杆件长度误差允许值的确定方法，能在合理范围内，降低对杆件长度误差允许值的要求，从而大幅降低加工精度的需求和制造成本。本发明提供的索杆预张力验证方法，能有效确定索杆预张力的可靠程度，保证结构安全。

Description

杆件长度误差允许值确定方法及索杆预张力结构验证方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，更具体地，涉及杆件长度误差允许值确定方法及索杆预张力结构验证方法。

背景技术

索杆预张力结构是一类由拉索和压杆组成的空间柔性预张力结构体系，由于该体系充分利用拉索的高强性及预张力的调控性的优点，从而使该结构具有自重轻、跨度大、经济性能好等特点，是现阶段国内外空间大跨结构的研究热点和今后的发展方向。体系整体刚度伴随着张拉过程的完成而形成，在张拉成形前体系处于松弛态，刚度为零，需要通过合适的张拉方案、施加初始预应力后方能成形并承受荷载。在结构施工张拉过程中，由于施工过程的复杂性、张拉工艺的多阶段性等因素影响使得整个过程不可避免的存在各种施工误差，包括杆件长度误差、节点安装误差、节点或锚具尺寸误差、耳板销轴孔加工误差、张拉值偏差、温度环境偏差等。研究及工程实践表明，施工误差对结构承载性能影响显著，需评估并控制各种误差效应，以保证施工精度。

为保证施工精度，现有《索结构技术规程》(JGJ257-2012)提出了索杆预张力结构杆件加工制作长度允许偏差，但不区分结构类型和杆件类型，所有拉索和压杆仅根据长度采用同一误差允许值。毫无疑问，这一误差允许值是相当严格的。然而不同结构类型的不同杆件具有不同的长度误差敏感性。为了满足这同一误差允许值，工业成本成级数增长，而施工精度并不会带来明显提高。显然这种索结构设计方法存在巨大的成本浪费，新的杆件长度误差允许值确定方法及索杆预张力结构验证方法亟须开发。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种杆件长度误差允许值确定方法及索杆预张力结构验证方法，其目的在于根据不同索杆预张力结构类型的不同杆件具有不同的长度误差敏感性特点，基于可靠度理论确定不同索杆预张力结构类型的不同杆件所对应的误差允许值，在该误差允许值范围内进行索杆预张力结构验证，从而避免不必要的精度要求，降低工业成本，由此解决现有的索预张力结构对于所有杆件、拉索均采用同一的精度要求，导致工业成本过高、浪费严重的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种杆件长度误差允许值确定方法，包括以下步骤：

(1)对于结构中待确定长度误差允许值的特定类别的杆件，确定其长度误差允许值搜索空间；

(2)迭代计算搜索结构杆件长度误差允许值：

(2-1)初始化结构杆件长度误差：在步骤(1)获得的长度误差搜索空间内，所述类别的所有n个杆件赋予杆件长度误差值；

(2-2)计算所述n个杆件在预张力结构中相应的可靠指标β_i，其中i＝1,2,…n，可靠指标β_i计算约束条件：内力偏差值不超过内力偏差值阈值；

(2-3)搜索：当所述β_i满足收敛条件时，将此时杆件长度误差值作为所述杆件的长度误差允许值输出，所述收敛条件为：|β_i-β₀|<ε，其中ε为某一较小值，i＝1,2,…n；否则：

当所述β_i皆大于可靠指标收敛标准β₀，则按照搜索步长，在长度误差搜索空间内放大相应杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)；否则：

按照搜索步长在长度误差搜索空间内缩小相应杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)。

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其步骤(1)所述长度误差允许值搜索空间根据所述杆件类别的误差敏感性按照其误差敏感性越小搜索空间越大的原则确定。

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其步骤(1)所述杆件的误差敏感性基于概率法或正交设计法计算。

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其步骤(2-2)所述内力偏差值阈值为10％。

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其所述可靠指标β_i的按照如下方法计算：

求解可靠指标与失效概率之间的对应关系方程： 其中：为杆件的失效概率，即当所述杆件的功能函数的值小于零时，结构失效，可靠度小于零时对应的概率称为失效概率，按照蒙特卡罗法计算，具体如下：

其中，z_i为杆件功能函数的值，z_i＝Z_i(X)；为杆件功能函数对应的均值，为杆件功能函数对应的标准差；功能函数Z_i(X)＝R_i(X)-S_i(X)，R_i(X)为结构抗力函数，S_i(X)为荷载效应函数，因此有： 且

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其可靠指标收敛标准β₀按照以下方法确定：

依据变形可逆程度选取可靠指标收敛标准β₀∈[0,1.5]；

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其对于索杆预张力结构，由于其具有明显的几何非线性和非保守性，正常使用极限状态下的杆件可靠指标收敛标准β₀取大值；对于在线弹性范围内的刚性结构，其正常使用极限状态下杆件可靠指标收敛标准β₀取小值。

优选地，所述杆件长度误差允许值确定方法，其所述搜索步长可为固定步长或其长度按照搜索次数越多搜索步长越小的原则自适应调整。

按照本发明的另一个方面，提供了一种索杆预张力结构验证方法，其包括以下步骤：

A、对于待分析的索杆预张力结构，按照拓扑关系和几何特征进行杆件分类；

B、确定各类别杆件对应长度误差允许值：

B(I)、分析结构各类杆件对应的长度误差敏感性，获得结构杆件各类杆件对应的长度误差搜索空间；

B(II)、对于每一类别的杆件，按本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，根据该类别杆件的可靠指标收敛标准值，确定结构杆件的长度误差允许值；

C、验算：判断结构是否满足最大挠度的正常使用极限状态要求：当荷载作用下结构最大挠度与跨度比小于等于预设阈值时，验证通过；否则，按照预设步长扩大可靠指标收敛标准值，并重复步骤B～C。

优选地，所述索杆预张力结构验证方法，其所述步骤B(II)具体为：

按照误差敏感性由大到小的顺序将所述杆类别进行排序，按照所述排序依次对每一类，按照本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，确定所述类别中每一类杆件的长度误差允许值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的杆件长度误差允许值的确定方法，能根据结构及杆件特征确定其相应的长度误差允许值，从而能在合理范围内降低加工精度的需求和制造成本。本发明提供的索杆预张力结构验证方法，能有效确定索杆预张力结构的可靠程度，保证结构安全。

优选技术方案，通过针对不同类别的杆件进行参数调整，缩短了本发明提供的杆件长度误差允许值的确定方法的运行时间，提高了计算效率。

附图说明

图1是本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法流程示意图；

图2是本发明实施例1提供的索杆预张力结构示意图；其中图2A为实物图，图2B为平面图；图2C为结构基本单元及尺寸示意图。

具体实施方式

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，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)对于结构中待确定长度误差允许值的特定类别的杆件，确定其长度误差允许值搜索空间；优选地，所述长度误差允许值搜索空间根据所述杆件类别的误差敏感性按照其误差敏感性越小搜索空间越大的原则确定；所述杆件的误差敏感性基于概率法或正交法计算，优选采用概率法计算。

(2)迭代计算搜索结构杆件长度误差允许值：

(2-1)初始化结构杆件长度误差：在步骤(1)获得的长度误差搜索空间内，所述类别的所有n个杆件赋予杆件长度误差值；

(2-2)计算所述n个杆件在预张力结构中相应的可靠指标β_i，其中i＝1,2,…n，可靠指标β_i计算约束条件：内力偏差值不超过内力偏差值阈值，内力偏差值阈值优选为10％。

所述可靠指标β_i按照如下方法计算：

求解可靠指标与失效概率之间的对应关系方程：1,2,…n，其中：为杆件的失效概率，即当所述杆件的功能函数的值小于零时，结构失效，可靠度小于零时对应的概率称为失效概率，按照蒙特卡罗法计算，具体如下：

其中，z_i为杆件功能函数的值，z_i＝Z_i(X)；为杆件功能函数对应的均值，为杆件功能函数对应的标准差；功能函数Z_i(X)＝R_i(X)-S_i(X)，R_i(X)为结构抗力函数，S_i(X)为荷载效应函数，因此有： 且

(2-3)搜索：当所述β_i满足收敛条件时，将此时杆件长度误差值作为所述杆件的长度误差允许值输出，所述收敛条件为：|β_i-β₀|<ε，其中ε为某一较小值，i＝1,2,…n；否则：

当所述β_i皆大于可靠指标收敛标准β₀，则按照搜索步长，在长度误差搜索空间内放大所有杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)；否则：

按照搜索步长在长度误差搜索空间内缩小相应杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)。

可靠指标收敛标准β₀优选按照以下方法确定：

依据变形可逆程度选取可靠指标收敛标准β₀∈[0,1.5]，对于预张力索杆结构而言，由于其具有明显的几何非线性和非保守性，正常使用极限状态下的杆件可靠指标收敛标准β₀取大值；对于在线弹性范围内的刚性结构而言，其正常使用极限状态下杆件可靠指标收敛标准β₀取小值；

所述搜索步长可为固定步长，或其长度按照搜索次数越多搜索步长越小的原则自适应调整。

本发明提供的索杆预张力结构验证方法，包括以下步骤：

A、对于待分析的索杆预张力结构，按照拓扑关系和几何特征进行杆件分类；

B、确定各类别杆件对应长度误差允许值：

B(I)、分析结构各类别杆件对应的长度误差敏感性，获得结构杆件各类杆件对应的长度误差搜索空间；

具体可采用概率法或正交法分析长度误差敏感性。优选采用概率法分析法假定各长度误差随机分布且符合一定概率分布规律，进而构建误差模型，考察其对初内力、承载性能等变化来评价其误差敏感性。

B(II)、对于每一类别的杆件，按照本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，根据该类别杆件的可靠指标收敛标准值，确定结构杆件的长度误差允许值；

优选，按照误差敏感性由大到小的顺序将所述杆类别进行排序，按照所述排序依次对每一类，按照本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，确定所述类别中每一类杆件的长度误差允许值。

C、验算：判断结构是否满足最大挠度的正常使用极限状态要求：当荷载作用下结构最大挠度与跨度比小于等于预设阈值时，验证通过；否则，按照预设步长扩大可靠指标收敛标准值，并重复步骤B～C。所述预设阈值优选1/250。

本发明提供的索杆预张力结构验证方法，首先分析各类杆件的长度误差敏感性，并根据各类杆件具有不同的长度误差敏感性特点，通过大量实验摸索，针对索杆预张力结构确定提出了基于正常使用极限状态下可靠度指标可靠指标收敛标准β₀不低于1.5、索内力偏差不超过10％且满足正常使用极限状态搜索不同误差敏感性构件对应的不同杆件长度误差允许值方法及索杆预张力结构验证方法，能可靠的确定杆件的误差允许值，从而提高索杆预张力结构可靠性，并且在杆件长度误差允许值范围之内，保证整体结构可靠性的前提之下，节约杆件生产加工和施工成本，从而降低整体结构的造价。

以下为实施例：

实施例1

对于无锡太湖国际高科技园区科技交流中心钢屋盖索穹顶结构(如图2所示)，按照本发明提供的索杆预张力结构验证方法，包括以下步骤：

A、对于无锡太湖国际高科技园区科技交流中心钢屋盖索穹顶结构，按照拓扑关系和几何特征进行杆件分类；分为：

序号	1	2	3	4	5	6
							构件	外斜索XC1	中斜索XC2	内斜索XC3	外脊索JC1	中脊索JC2	内脊索JC3
序号	7	8	9	10	11
							构件	桅杆1WG1	桅杆2WG2	桅杆3WG3	环索1HC1	环索2HC2

B、确定各类别杆件对应长度误差允许值：

B(I)、分析结构各类杆件对应的长度误差敏感性，获得结构杆件各类杆件对应的长度误差搜索空间。具体采用概率法分析长度误差敏感性，假定各杆件长度误差符合正态分布，并采用内力变化标准差σ_Fi评价误差敏感性，结果如下：

杆件	XC1	XC2	XC3	JC1	JC2	JC3	WG1	WG2	WG3	HC1	HC2
												敏感性评价指标σ<sub>Fi</sub>	13.6	6.9	2.8	25.0	18.8	16.7	6.5	3.2	0.9	19.4	10.1

B(II)、按照误差敏感性由大到小的顺序将所述杆类别进行排序，按照所述排序依次对每一类，确定所述类别中每一杆件的长度误差允许值。

具体地，按照如下顺序进行误差允许值确定：

敏感性排序	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
												杆件	JC1	HC1	JC2	JC3	XC1	HC2	XC2	WG1	WG2	XC3	WG3
敏感性评价指标σ<sub>Fi</sub>	25.0	19.4	18.8	16.7	13.6	10.1	6.9	6.5	3.2	2.8	0.9

按照本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，具体确定每一类杆件的长度误差允许值如下：

(1)对于结构中待确定长度误差允许值的特定类别的杆件，确定其长度误差允许值搜索空间；所述长度误差允许值搜索空间根据所述杆件类别的误差敏感性按照其误差敏感性越小搜索空间越大的原则确定。

(2)迭代计算搜索结构杆件长度误差允许值：

(2-1)初始化结构杆件长度误差：在步骤(1)获得的长度误差搜索空间内，所述类别的所有n个杆件赋予杆件长度误差值；

(2-2)计算所述n个杆件在预张力结构中相应的可靠指标β_i，其中i＝1,2,…n，可靠指标β_i计算约束条件：内力偏差值不超过内力偏差值阈值，内力偏差值阈值设置为10％。

所述可靠指标β_i的按照如下方法计算：

求解可靠指标与失效概率之间的对应关系方程： 其中：为杆件的失效概率，即当所述杆件的功能函数的值小于零时，结构失效，可靠度小于零时对应的概率称为失效概率，按照蒙特卡罗法计算，具体如下：

其中，z_i为杆件功能函数的值，z_i＝Z_i(X)；为杆件功能函数对应的均值，为杆件功能函数对应的标准差；功能函数Z_i(X)＝R_i(X)-S_i(X)，R_i(X)为结构抗力函数，S_i(X)为荷载效应函数，因此有： 且

(2-3)搜索：当所述β_i满足收敛条件时，将此时杆件长度误差值作为所述杆件的长度误差允许值输出，所述收敛条件为：|β_i-β₀|<ε，ε为0.02，i＝1,2,…n；否则：

当所述β_i皆大于等于可靠指标收敛标准β₀，则按照搜索步长为0.2mm在长度误差搜索空间内放大所有杆件长度误差允许值，并执行步骤(2-3)；否则：

按照搜索步长为0.2mm在长度误差搜索空间内缩小相应杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)。

鉴于索穹顶结构属于典型的索杆预张力结构，具有明显的几何非线性和非保守性，其可靠指标收敛标准β₀取1.5；

C、验算：判断结构是否满足最大挠度的正常使用极限状态要求，当荷载作用下结构最大挠度与跨度比小于等于1/250时，验证通过；否则，按照预设步长扩大可靠指标收敛标准值，并重复步骤B～C。

本实施例中经过1次迭代循环(步骤B～C重复次数)，得到验证结果，确定各杆件长度误差允许值，节约生产、施工成本约35％。

本领域的技术人员容易理解，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。

Claims (10)

1.一种杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对于结构中待确定长度误差允许值的特定类别的杆件，确定其长度误差允许值搜索空间；

(2)迭代计算搜索结构杆件长度误差允许值：

(2-1)初始化结构杆件长度误差：在步骤(1)获得的长度误差搜索空间内，所述类别的所有n个杆件赋予杆件长度误差值；

(2-2)计算所述n个杆件在预张力结构中相应的可靠指标β_i，其中i＝1，2，...n，可靠指标β_i计算约束条件：内力偏差值不超过内力偏差值阈值；

(2-3)搜索：当所述β_i满足收敛条件时，将此时杆件长度误差值作为所述杆件的长度误差允许值输出，所述收敛条件为：|β_i-β₀|＜ε，其中ε为某一较小值，i＝1，2，...n；否则：

当所述β_i皆大于可靠指标收敛标准β₀，则按照搜索步长，在长度误差搜索空间内放大所有杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)；否则：

按照搜索步长在长度误差搜索空间内缩小相应杆件长度误差值，并执行步骤(2-3)。

2.如权利要求1所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，步骤(1)所述长度误差允许值搜索空间根据所述杆件类别的误差敏感性按照其误差敏感性越小搜索空间越大的原则确定。

3.如权利要求2所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，步骤(1)所述杆件的误差敏感性基于概率法或正交设计法计算。

4.如权利要求1所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，步骤(2-2)所述内力偏差值阈值为10％。

5.如权利要求1所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，所述可靠指标β_i的按照如下方法计算：

求解可靠指标与失效概率之间的对应关系方程： 其中：为杆件的失效概率，即当所述杆件的功能函数的值小于零时，结构失效，可靠度小于零时对应的概率称为失效概率，按照蒙特卡罗法计算，具体如下：

其中，z_i为杆件功能函数的值，z_i＝Z_i(X)；为杆件功能函数对应的均值，为杆件功能函数对应的标准差；功能函数Z_i(X)＝R_i(X)-S_i(X)，R_i(X)为结构抗力函数，S_i(X)为荷载效应函数，因此有： 且

6.如权利要求1所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，可靠指标收敛标准β₀按照以下方法确定：

依据变形可逆程度选取可靠指标收敛标准β₀∈[0，1.5]。

7.如权利要求6所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，对于索杆预张力结构，由于其具有明显的几何非线性和非保守性，正常使用极限状态下的杆件可靠指标收敛标准β₀取大值；对于在线弹性范围内的刚性结构，其正常使用极限状态下杆件可靠指标收敛标准β₀取小值。

8.如权利要求1所述的杆件长度误差允许值确定方法，其特征在于，所述搜索步长可为固定步长或其长度按照搜索次数越多搜索步长越小的原则自适应调整。

9.一种索杆预张力结构验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、对于待分析的索杆预张力结构，按照拓扑关系和几何特征进行杆件分类；

B、确定各类别杆件对应长度误差允许值：

B(I)、分析结构各类杆件对应的长度误差敏感性，获得结构杆件各类杆件对应的长度误差搜索空间；

B(II)、对于每一类别的杆件，按如权利要求1至8任意一项所述的杆件长度误差允许值确定方法，根据该类别杆件的可靠指标收敛标准值，确定结构杆件的长度误差允许值；

C、验算：判断结构是否满足最大挠度的正常使用极限状态要求：当荷载作用下结构最大挠度与跨度比小于等于预设阈值时，验证通过；否则，按照预设步长扩大可靠指标收敛标准值，并重复步骤B～C。

10.如权利要求9所述的索杆预张力结构验证方法，其特征在于，所述步骤B(II)具体为：

按照误差敏感性由大到小的顺序将所述杆类别进行排序，按照所述排序依次对每一类，按照本发明提供的杆件长度误差允许值确定方法，确定所述类别中每一类杆件的长度误差允许值。