CN110348042A - 一种提高空间网架结构安全性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高空间网架结构安全性能的方法，属于建筑结构加固技术领域技术领域，解决了现有技术中无法确定网架是否具有足够的安全度、无法直观显示杆件受力状态的分布情况等问题。本发明方法包括以下步骤：S1.获取空间网架结构的参数；S2.输入S1中获得的参数；S3.处理器读取数据存储器中的数据建立网架有限元模型；S4.通过数据录入器在有限元模型上施加设计载荷和约束；S5.处理器打包处理后的有限元模型通过数据发送器发送至显示终端，图形化显示杆件受力状况；S6.根据杆件受力状况对杆件进行加固。本发明适用于空间网架结构安全性能的提升。

Description

一种提高空间网架结构安全性能的方法

技术领域

本发明属于建筑结构加固技术领域，特别涉及一种提高空间网架结构安全性能的方法。

背景技术

在系列改造工程项目中，有较多的网架工程在施工、监理过程中存在一定的问题，并且出现缺乏设计图纸等现实问题。因此，在工程现场检测工作完成后，还需要对实际建造的网架结构开展验算分析，明确当前结构的实际承载能力，以确定网架结构在随后的使用过程中是否具有足够的安全度，以保证结构不会发生坍塌从而造成严重的人员伤亡和财产损失。当前网架结构的相关分析软件多数侧重于设计方面，专门针对结构验算工作的网架分析方法目前还未见到。

目前，市面上流行的网架结构设计软件主要有北京云光建筑设计咨询开发中心研制的空间网架设计软件SFCAD、上海同磊土木工程技术公司研发的空间钢结构软件3D3S，以及有限元分析软件SAP中的网架分析模块。这些软件针对网架结构的分析各有特点，建模操作的具体流程及复杂程度各不相同，但总体而言，这些软件主要是针对设计工作者开发，针对设计过程中可能出现的问题及需求研制开发了软件。网架结构设计软件在验算分析工作中的缺陷汇总如下：

1)仅能输入统一的杆件截面形式，杆件截面形式的改变是通过设计优化实现的，无法与工程的实际状况相符；2)仅对规整的网架结构开展受力分析，在实际的网架工程中，往往存在部分节点位置偏移的状况，因此，所建立有限元分析模型不能完全的符合实际工程；3)由于是针对设计工作开发的分析软件，因此，针对分析模型中承载力不足的杆件，将会采用优化设计的原则直接替换承载力不足的构件，这将导致开展验算分析的工作人员仅能间接地针对网架结构的安全性进行判断；4)无法图形化的显示杆件受力状态的分布情况，导致验算分析工作人员无法对实际工程的整体受力状态得到合理的整体把握。

发明内容

鉴于以上分析，本发明旨在提供一种提高空间网架结构安全性能的方法，用以解决现有技术中无法明确实际建造的网架的承载能力、无法确定网架是否具有足够的安全度等问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

1.一种提高空间网架结构安全性能的方法，包括以下步骤：

S1.获取空间网架结构的参数；

S2.通过数据录入器输入S1中获得的参数，处理器通过数据接收器接收数据录入器录入的数据，并将数据写入数据存储器；

S3.处理器读取数据存储器中的数据建立网架有限元模型；

S4.通过数据录入器在有限元模型上施加设计载荷和约束；

S5.处理器打包处理后的有限元模型通过数据发送器发送至显示终端，图形化显示杆件受力状况；

S6.根据杆件受力状况对杆件进行加固。

步骤S1包括以下步骤：

S11.获取空间网架结构的材料属性参数，包括钢材的弹性模量、屈服强度、抗压强度、上弦杆、下弦杆和腹杆的截面尺寸、钢管的厚度；

S12.获取建模参数：包括角锥放置控制参数、节点球选择参数、受压杆截面分类参数。

步骤S3还包括存储器存储上、下弦杆、腹杆杆件编号及上、下弦节点编号。

步骤S4中设计载荷包括自重载荷、雪载荷以及人体重量载荷；自重载荷包括杆件自重和节点球自重；在支座处施加三方向铰接约束。

步骤S5中，处理器打包处理包括以下步骤：

S51.判断杆件截面类型；

S52.提取杆件内力计算值；

S53.计算杆件长度调整系数；

S54.计算杆件长细比；

S55.计算杆件稳定系数；

S56.记录超限杆件杆号。

步骤S5中，图形化显示杆件受力状况为：S57.显示终端以不同颜色显示超限杆件。

步骤S57中，以红色表示受拉超限杆件；以黄色表示受压超限杆件。

在步骤S5与步骤S6中还包括步骤S58：打包处理后处理器自动生成包含有关杆件内力的基本信息的文件，用于操作者对网架相关信息的查询。

步骤S6中，在原钢管中心处对称粘接沿长度方向的外加圆钢管。

外加圆钢管内部施加结构胶，结构胶用于使外粘钢管与原钢管形成整体协同工作状态。

与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：

1)参数化建立有限元模型。提炼出网架结构中的几何控制参数，例如跨长、网架矢高、结构单元尺寸等，通过修改几何控制参数，自动化建立网架的有限元模型，这为缺乏有限元建模经验的工作人员提供了极大的方便。

2)依据网架结构的现场状况，可以方便的修改部分杆件的截面尺寸及节点位置，以保证有限元分析模型真实的符合网架结构的实际状态；依据当前网架结构的相关规程，自动计算杆件的计算长度、自动化判别失效杆件，包括受压失效以及受拉失效，并输出所有杆件的受力状态值，包括当前应力比、杆件计算长度、杆件的极限承载能力等信息。

3)图形化显现失效杆件，其中受压失效杆件用黄色表示，受拉失效杆件用红色表示，清晰、直观的表明当前实际结构中承载力不足的杆件所处的位置；分析人员可随意设定分析需要的应力比，程序自动筛选符合条件的杆件，并图形化显示筛选构件，有利于分析人员总体把握结构的安全性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的附图标记表示相同的部件。

图1确定失效杆件主要流程；

图2处理器打包处理流程；

图3网架结构的有限元模型图；

图4网架结构的竖向位移云图；

图5网架杆件的内力云图；

图6网架超限杆件的显示；

图7杆件内力信息汇总文件图；

图8外粘钢管横截面示意图；

图9粘钢加固示意图。

附图标记：

1-原钢管；2-外粘钢管；3-结构胶；4-黄色杆件。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种提高空间网架结构安全性能的方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明的一个具体实施例，一种提高空间网架结构安全性能的方法，具体流程如图1-图2所示，包括如下步骤：

S1.获取空间网架结构的几何参数，包括以下步骤：

S11.获取材料属性参数，包括钢材的弹性模量、屈服强度、抗压强度；还包括上弦杆、下弦杆、腹杆的截面尺寸和钢管的厚度；

S12.获取建模参数：建模参数包括三角锥放置控制参数、节点球选择参数、受压杆截面分类参数。三角锥放置控制参数包括网架跨数和网架弦高，角锥朝下，则网架弦高输入数字为负值；角锥朝上，则网架弦高输入数字为正值；焊接空心球定义为1.0；螺栓球定义为0.0；受压杆截面分类参数主要针对圆杆，当取值为0时，表示a类截面；当取值为1时，为b类截面。杆件连接模式刚接为1，铰接为0。

本实施例罩棚结构为倒放四角锥网架结构，网格尺寸为3.0m×3.0m，罩棚平面尺寸为54.0m×27.0m，网架矢高为1.5m。所有杆件共计五种截面尺寸，共有12个下弦杆节点支撑于混凝土柱。钢材的弹性模量为206GPa，屈服强度235MPa，抗压强度200MPa，上弦杆、下弦杆截面直径均为0.06m，厚度均为0.0035m，腹杆直径0.048m，腹杆厚度0.0035m；网架弦高-1.5m，网架跨数，X向的跨数18，Y向的跨数9，杆件连接参数为0，节点球选择参数为0，受压杆截面分类参数为1。混凝土柱为固定端支座，网架分析中不建立混凝土柱的模型。

S2.通过数据录入器输入S1中获得的参数，处理器通过数据接收器接收所述数据录入器录入的数据，并将数据写入数据存储器；

S3.所述处理器读取所述数据存储器中的数据建立网架有限元模型；本实施例网架结构的有限元模型如图3所示。建立网架有限元模型的同时建立二维数组用于在存储器上存储上、下弦杆及腹杆杆件编号；同时建立二维数组存储上、下弦节点编号。

S4.通过数据录入器在有限元模型上施加设计载荷和约束；设计载荷包括自重载荷、雪载荷和屋面是否上人；所述自重载荷包括杆件自重和节点球自重；在支座处施加三向铰接约束。该网架上弦静载选用0.2kN/m²，上弦杆活载选用0.35kN/m²，网架自重荷载可由程序自动计算，根据杆件的截面尺寸，材料的长度，计算得到杆件的体积。由体积和材料的密度得到材料的质量。

本发明参数化建立有限元模型，提炼出网架结构中的几何控制参数，例如跨长、网架矢高、结构单元尺寸等，通过修改几何控制参数，自动化建立网架的有限元模型，这为缺乏有限元建模经验的工作人员提供了极大的方便。

依据网架结构的现场状况，可以方便的修改部分杆件的截面尺寸及节点位置，以保证有限元分析模型真实的符合网架结构的实际状态；

S5.处理器打包处理后的有限元模型通过数据发送器发送至显示终端，图形化显示杆件受力状况；大变形开关，能够考虑材料、几何的非线性，打开大变形开关会将分析模式由不考虑材料、几何非线性，转变为考虑。

处理器打包处理包括以下步骤：

S51.判断杆件截面类型；

S52.提取杆件内力计算值；

S53.计算杆件长度调整系数；

S54.计算杆件长细比；

S55.计算杆件稳定系数；

S56.记录超限杆件杆号；

S57.以不同颜色显示超限杆件，其中受压失效杆件用黄色表示，受拉失效杆件用红色表示，清晰、直观的表明当前实际结构中承载力不足的杆件所处的位置。

图4为该罩棚在设计荷载作用下的竖向位移云图。由图可得，该网架最大竖向位移为-0.023m，发生在网架长方向的端部。图5为杆件的内力云图。由图可得，较大的杆件内力出现在网架支座部位附近。图6为超限杆件的显示图。由图可得，网架中仅出现8根黄色杆件4，对称分布于网架的支座的附近，说明该网架在设计竖向荷载作用下，无杆件受拉超限，而存在8根杆件受压超限。

图7为杆件内力信息汇总文件图。每次网架验算分析工作完成后，处理器均会自动生成一个force.txt文件。该文件中包含了有关杆件内力的值、计算长度、杆件长细比以及杆件应力比，可以方便操作者对网架其它相关信息的查询。

依据当前网架结构的相关规程，自动计算杆件的计算长度、自动化判别失效杆件，包括受压失效以及受拉失效，并输出所有杆件的受力状态值，包括当前应力比、杆件计算长度、杆件的极限承载能力等信息。

表1为受压失稳杆件的具体内力值及相关数据。由表可得，8根杆件的应力比值均超过了1.0，其中最大为1.279，最小为1.086。

表1受压失稳杆件的计算内力及相关数据

杆件编号	内力值(kN)	计算长度(m)	杆件长细比	应力比
					527	-46.5	3.00	149.89	1.215
535	-42.3	3.16	158.00	1.208
					575	-44.8	3.16	158.00	1.279
583	-44.6	3.16	158.00	1.273
					530	-38.0	3.16	158.00	1.086
623	-42.9	3.16	158.00	1.224
					618	-38.1	3.16	158.00	1.088
631	-46.4	3.00	149.89	1.211

本发明可以方便的建立网架结构的有限元分析模型，输入网架模型建立所需的基本参数后，程序将自动建立网架结构的有限元模型，从而减化分析人员的建模工作，同时提高验算分析的工作效率。本发明对分析工程中的杆件内力进行计算分析，得出该工程中是否存在受拉或受压超限的杆件，并将超限的杆件编号记录在数组当中，并用不同的颜色标注，可直观的检查网架结构中超限杆件的位置。采取可视化的方式显性的展现失效杆件在结构中的具体位置，可保证检测分析人员快速、方便的定位失效杆件，从而提高工作效率。

S6.根据杆件受力状况对杆件进行加固。

通过上述分析，该网架结构不能完成设计荷载作用下的预定功能，其中共有8根杆件的受压内力值超过了杆件设计承载力，因此应对该网架结构开展后续的加固工作。

如图8、图9所示本发明外粘钢管的加固技术。该项加固技术是在原钢管中心处对称粘接沿长度方向的外加圆钢管，外加圆钢管内部施加结构胶，依靠结构胶致使外粘钢管与原钢管形成整体协同工作状态，从而提高杆件的承载能力。

利用外粘圆钢管提高杆件受压承载能力的加固措施，可以有效的避免焊接套管加固技术开展过程中存在的诸多问题。外粘圆钢管加固技术在施工过程中，由于不需要焊接作业，因此可有效地避免明火的出现，从而大大提高了施工过程中加油站的安全可靠度。同时该加固技术施工操作简便，因此可大幅度的提高施工效率，从而最大限度的减少加固施工对加油站正常营业的影响。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.获取空间网架结构的参数；

S2.通过数据录入器输入S1中获得的参数，处理器通过数据接收器接收所述数据录入器录入的数据，并将数据写入数据存储器；

S3.所述处理器读取所述数据存储器中的数据建立网架有限元模型；

S4.通过数据录入器在有限元模型上施加设计载荷和约束；

S5.处理器打包处理后的有限元模型通过数据发送器发送至显示终端，图形化显示杆件受力状况；

S6.根据杆件受力状况对杆件进行加固。

2.根据权利要求1所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11.获取空间网架结构的材料属性参数，包括钢材的弹性模量、屈服强度、抗压强度、上弦杆、下弦杆和腹杆的截面尺寸、钢管的厚度；

S12.获取建模参数：包括角锥放置控制参数、节点球选择参数、受压杆截面分类参数。

3.根据权利要求1所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括存储器存储上、下弦杆、腹杆杆件编号。

4.根据权利要求1所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括存储器存储上、下弦节点编号。

5.根据权利要求1所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S4中设计载荷包括自重载荷、雪载荷以及人体重量载荷；所述自重载荷包括杆件自重和节点球自重；在支座处施加三方向铰接约束。

6.根据权利要求1-5所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S5中，处理器打包处理包括以下步骤：

S51.判断杆件截面类型；

S52.提取杆件内力计算值；

S53.计算杆件长度调整系数；

S54.计算杆件长细比；

S55.计算杆件稳定系数；

S56.记录超限杆件杆号。

7.根据权利要求6所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S5中，图形化显示杆件受力状况为：S57.显示终端以不同颜色显示超限杆件。

8.根据权利要求7所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述在步骤S5还包括步骤S58：打包处理后处理器自动生成包含有关杆件内力的基本信息的文件，用于操作者对网架相关信息的查询。

9.根据权利要求1-5任一项所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述步骤S6中，在所述原钢管中心处对称粘接沿长度方向的外加圆钢管。

10.根据权利要求9所述的提高空间网架结构安全性能的方法，其特征在于，所述外加圆钢管内部施加结构胶，所述结构胶用于使外粘钢管与原钢管形成整体协同工作状态。