CN111611637A - 一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其是涉及建筑工程的结构设计和加工、安装技术领域，具体涉及一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法。本发明通用于任意给定下料索力时的索体下料长度计算，使索构件下料无需局限于当前技术的三种下料方式；按本发明的方法进行下料，索体在初始态索力作用下的长度加上节点区域长度严格等于理论模型中的索单元长度，从而完全排除节点区域对索体下料精度的影响，使张拉后的构件状态与理论模型初始态一致；本发明计算过程简洁明了，概念清晰。

Description

一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其是涉及建筑工程的结构设计和加工、安装技术领域，具体涉及一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法。

背景技术

索结构是一类由只可受拉的索构件和既可受拉、又可受压的杆构件组成的结构，其中索构件是指由索体和端部节点区域组成的受力集合体。常见索结构形式有单层索网、索桁架结构、索穹顶结构等，这类结构需要通过施加预应力来达到稳定状态，进而形成刚度、建立承载能力。由于索体采用高强材料制成，且在结构承载过程中，索构件始终处于受拉状态，不存在构件稳定问题，因此构件的截面尺寸远小于传统的混凝土结构、钢结构等。

索结构在分析设计中存在三种状态：(1)零状态，即按照几何原则建立、未执行计算的结构模型，该状态下的每个索单元分配有一个相应的初应变；(2)初始态，即在零状态基础上，考虑结构自重等因素，计算得到的结构平衡状态，索结构预应力通常即指初始态索力；(3)荷载态，即在初始态基础上施加后续荷载和作用，计算得到的结构平衡状态。

在索结构施工过程中，预应力的施加通过张拉索构件实现，具体方式为：通过工装在索构件端部逐渐施加作用力，使索构件内产生拉力，当拉力大小达到给定的预应力数值时，将索头与支承结构连接，并拆除工装。拆除工装后，索构件内仍然保持工装拆除前的拉力，即被施加了预应力。

在张拉过程中会发生索体的伸长，拉力逐渐增大的过程也就是构件逐渐伸长的过程。由于索体截面尺寸通常较小，而预应力较大，因此张拉引起的索体伸长量不可忽略，需要在下料时考虑。下料长度计算的准确性直接关系到索结构的施工精度。

对于理论模型中的每个索单元，其存在三种状态下的长度和相关参数：(1)无应力长度L₀，指该单元不承受拉力时的长度；(2)零状态长度L₁和初应变ε₁，分别指理论模型零状态中该单元的长度和初应变；(3)初始态长度L₂和初始态索力F₂，分别指理论模型初始态中该单元的长度和索力。三组数据存在下式所示的换算关系：

其中E为索体的材料弹性模量，A为索体的截面积。

上式的含义是：对于同一个索单元，当不承受拉力作用时，其长度为L₀；当受拉且拉力引起的应变为ε₁时，长度为L₁；当受拉且拉力为F₂时，长度为L₂。

在理论模型中，通常不考虑索构件端部的节点区域，整根索构件全部采用索单元来模拟，索单元直接连接到支承结构构件截面中心和索节点中心，因此索单元长度与实际结构中一整根索构件的长度对应。而在实际结构中，索构件长度是由索体长度和节点区域长度L_N组成的，其中L_N与索头、索长调节器、索节点、与索相连的支承结构构件和支承结构与索连接耳板等部件的尺寸有关。

在当前技术中，与上述索单元的三个状态相对应，索构件中的索体下料也有三种方式：(1)无应力下料，索体下料长度取L_C0＝L₀－L_N，下料时不施加拉力或施加很小拉力以保证索体绷直；(2)零状态下料，索体下料长度取L_C1＝L₁－L_N，下料时需施加拉力F₁＝EAε₁；(3)初始态下料，索体下料长度取L_C2＝L₂－L_N，下料时需施加初始态索力F₂。实际操作中，三种方式得到的下料长度直接作为在索体上标记锚具起点位置的依据；将索体下料长度加上索体在锚具内的锚固长度，作为标记索体切割位置的依据。

实际结构中，与索体相比，节点区域的刚度通常很大，张拉引起的变形非常微小，可以忽略不计，因此可以认为所有状态下的节点区域长度均等于L_N。由于索结构的施工目标是实现理论模型初始态的索力和位形，因此张拉完成后，对每根索构件的控制原则为：内力等于给定的初始态索力F₂，且此时的索体长度加上对应L_N等于理论模型中相应索单元的初始态长度L₂。

对于上述第3种下料方式，即初始态下料方式，由于下料时施加的拉力就等于初始态索力F₂，且索体下料长度L_C2加上L_N等于索单元初始态长度L₂，因此是满足施工控制原则的。

按照上述第1种下料方式，即无应力下料方式的索体，其在初始态索力F₂下的长度为：

L_C0'＝L_C0(1+F₂/EA)＝(L₀-L_N)(1+F₂/EA)＝L₂-L_N(1+F₂/EA)

加上L_N后，为：

L_C0'+L_N＝L₂-L_NF₂/EA≠L₂

因此不满足施工控制原则。

按照上述第2种下料方式，即零状态下料方式的索体，其在初始态索力F₂下的长度为：

加上L_N后，为：

当ε₁＝F₂/EA时，L_C1’+L_N＝L₂，满足施工控制原则；当ε₁≠F₂/EA时，L_C1’+L_N≠L₂，不满足施工控制原则。由于大部分情况ε₁≠F₂/EA，因此零状态下料方式通常不满足施工控制原则。

综上所述，按照当前技术，如果采用初始态下料方式，则得到的索体下料长度是准确的，而如果采用初始态下料之外的方式，则得到的索体下料长度通常会存在一定的偏差。由于实际下料时，不一定具备将索体按初始态索力F₂加载的条件，即索体可能在无应力状态、初应变ε₁对应拉力F₁＝EAε₁甚至其他拉力下进行下料，因此当前技术通常无法满足索结构施工控制原则。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，可以在任意给定的拉力下料时，求得排除节点区域影响后的准确下料长度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，该方法严格满足索结构施工控制原则，即索体所受拉力等于初始态索力时，索体长度加上对应节点区域长度等于理论模型中相应索单元的初始态长度；其包括如下步骤：

1)求解结构初始态，提取索构件对应索单元的初始态索单元长度L₂和初始态索力F₂；

2)计算初始态索体长度L_C2：

L_C2＝L₂-L_N 式(1)

式(1)中，L_N为索构件端部的节点区域长度；

3)计算索体无应力长度L_C0：

式(2)中，E为索体的材料弹性模量，A为索体的截面积；

4)计算下料索力F_M对应的索体下料长度L_CM：

作为本发明一种进一步的技术方案，当针对一根所述索构件采用无应力下料时，包括：

下料索力取值为零，即F_M＝0，因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝0和式(4)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

L_CM'＝L_CM(1+F₂/EA)＝L₂-L_N 式(5)

加上L_N后为：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(6)

通过式(6)可知：该索体下料长度计算方法适用于索体的无应力下料方式，并能满足施工控制原则。

作为本发明一种进一步的技术方案，当针对一根所述索构件采用零状态下料时，包括：

下料索力取值为EAε₁，即F_M＝EAε₁，其中ε₁为理论模型中索构件对应索单元的初应变；因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝EAε₁和式(7)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

加上L_N后为：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(9)

通过式(9)可知：该索体下料长度计算方法适用于索体的零状态下料方式，并能满足施工控制原则。

作为本发明一种进一步的技术方案，当针对一根所述索构件采用初始态下料时，包括：

下料索力取值为F₂，即F_M＝F₂；因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝F₂和式(10)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度L_CM’依然为L_CM，故有：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(11)

通过式(11)可知：该索体下料长度计算方法适用于索体的初始态下料方式，并能满足施工控制原则。

作为本发明一种进一步的技术方案，当针对一根所述索构件采用任意预设的索力下料时，包括：

给定预设的下料索力为F_X，即F_M＝F_X；因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝F_X和式(12)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

加上L_N后为：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(14)

通过式(14)可知：该索体下料长度计算方法适用于任意预设下料索力的索体下料方式，并能满足施工控制原则。

作为本发明一种进一步的技术方案，所述索构件端部的节点区域长度L_N为：

L_N＝L_N1+L_N2 式(15)

式(15)中，L_N1为索构件第一端的节点区域长度，L_N2为索构件第二端的节点区域长度。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

1.本发明通用于任意给定下料索力时的索体下料长度计算，使索构件下料无需局限于当前技术的三种下料方式；

2.按本发明的方法进行下料，索体在初始态索力作用下的长度加上节点区域长度严格等于理论模型中的索单元长度，从而完全排除节点区域对索体下料的影响，使张拉后的构件状态与理论模型初始态一致；

3.本发明计算过程简洁明了，概念清晰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的索体下料长度计算方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的初始态索单元长度组成的示意图；

图3为本发明实施例提供的初始态索体长度与初始态索力、索体无应力长度和索体下料长度与下料索力示意图。

图标：1-初始态索单元长度；2-初始态索体长度；3-节点区域长度；4-初始态索力；5-索体无应力长度；6-索体下料长度；7-下料索力；8-索头；9-索长调节器；10-与索相连的支承结构构件；11-支承结构与索连接耳板；12-索节点；13-与索相连的支承结构构件截面中心；14-索节点中心。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，下面以计算一根索构件的索体下料长度为例，结合附图对本发明进行详细阐述。如图1所示，本发明提出一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，包括以下步骤：

1)符号约定，即对于一根索构件，分别以L₂和F₂表示结构初始态中与该构件对应的初始态索单元长度1和初始态索力4，其中初始态索单元长度1为索节点中心14和与索相连的支承结构构件截面中心13之间的索构件长度；以L_N表示该索构件端部的节点区域长度3，其中节点区域长度3由索构件第一端的节点区域长度L_N1和第二端的节点区域长度L_N2构成，与索头8、索长调节器9、索节点12、与索相连的支承结构构件10和支承结构与索连接耳板11等部件的尺寸有关；以L_C2表示该构件的初始态索体长度2；以L_C0表示该构件的索体无应力长度5；以F_M表示下料索力7；分别以E和A表示索体的材料弹性模量和截面积；以L_CM表示要求解的索体下料长度6；

2)求解结构初始态，提取索构件对应索单元的初始态索单元长度1和初始态索力4；

3)计算初始态索体长度2，即L_C2＝L₂-L_N；

4)计算索体无应力长度5，即

5)计算下料索力7对应的索体下料长度6为：

可见，本发明通用于任意给定下料索力7时的索体下料长度6计算，使索构件下料无需局限于当前技术的三种下料方式；按本发明的方法进行下料，索体在初始态索力4作用下的长度2加上节点区域长度3严格等于理论模型中的索单元长度1，从而完全排除节点区域对索体下料的影响，使张拉后的构件状态与理论模型初始态一致；本发明计算过程简洁明了，概念清晰。

具体地，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例一

在本实施例中，对于一根索构件，以无应力下料为例，对本发明进行说明。

当采用无应力下料时，下料索力7等于0，即F_M＝0。由本发明，可以得到索构件的索体下料长度6为

按照F_M＝0和上式中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

L_CM'＝L_CM(1+F₂/EA)＝L₂-L_N

L_CM’加上L_N后，为L_CM'+L_N＝L₂，满足施工控制原则。

实施例二

在本实施例中，对于一根索构件，以零状态下料为例，对本发明进行说明。

当采用零状态下料时，下料索力7等于EAε₁，即F_M＝EAε₁，其中ε₁为理论模型中该构件对应索单元的初应变。由本发明，可以得到索构件的索体下料长度6为：

按照F_M＝EAε₁和上式中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

L_CM’加上L_N后，为L_CM'+L_N＝L₂，满足施工控制原则。

实施例三

在本实施例中，对于一根索构件，以初始态下料为例，对本发明进行说明。

当采用初始态下料时，下料索力7等于F₂，即F_M＝F₂。由本发明，可以得到索构件的索体下料长度6为：

按照F_M＝F₂和上式中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度L_CM’依然为L_CM，故有L_CM'+L_N＝L₂，满足施工控制原则。

实施例四

在本实施例中，对于一根索构件，以任意索力下料(可理解的是，下料索力可以为除去0、F₂、EAε₁以外的其他任意预设值)为例，对本发明进行说明。

任意给定下料索力为F_X，即F_M＝F_X。由本发明，可以得到索构件的索体下料长度6为：

按照F_M＝F_X和上式中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

L_CM’加上L_N后，为L_CM'+L_N＝L₂，满足施工控制原则。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，其特征在于，严格满足索结构施工控制原则，即索体所受拉力等于初始态索力时，索体长度加上对应节点区域长度等于理论模型中相应索单元的初始态长度；其包括如下步骤：

1)求解结构初始态，提取索构件对应索单元的初始态索单元长度L₂和初始态索力F₂；

2)计算初始态索体长度L_C2：

L_C2＝L₂-L_N 式(1)

式(1)中，L_N为索构件端部的节点区域长度；

3)计算索体无应力长度L_C0：

式(2)中，E为索体的材料弹性模量，A为索体的截面积；

4)计算下料索力F_M对应的索体下料长度L_CM：

2.根据权利要求1所述的考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，其特征在于，当针对一根所述索构件采用无应力下料时，包括：

下料索力取值为零，即F_M＝0，因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝0和式(4)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

L_CM'＝L_CM(1+F₂/EA)＝L₂-L_N 式(5)

加上L_N后为：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(6)

通过式(6)可知：该索体下料长度计算方法适用于索体的无应力下料方式，并能满足施工控制原则。

3.根据权利要求1所述的考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，其特征在于，当针对一根所述索构件采用零状态下料时，包括：

下料索力取值为EAε₁，即F_M＝EAε₁，其中ε₁为理论模型中索构件对应索单元的初应变；因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝EAε₁和式(7)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

加上L_N后为：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(9)

通过式(9)可知：该索体下料长度计算方法适用于索体的零状态下料方式，并能满足施工控制原则。

4.根据权利要求1所述的考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，其特征在于，当针对一根所述索构件采用初始态索力下料时，包括：

下料索力取值为F₂，即F_M＝F₂；因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝F₂和式(10)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度L_CM’依然为L_CM，故有：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(11)

通过式(11)可知：该索体下料长度计算方法适用于索体的初始态索力下料方式，并能满足施工控制原则。

5.根据权利要求1所述的考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，其特征在于，当针对一根所述索构件采用任意预设的索力下料时，包括：

预设下料索力为F_X，即F_M＝F_X；因此，索体下料长度L_CM为：

按照F_M＝F_X和式(12)中L_CM下料的索体，在初始态索力F₂下的长度为：

加上L_N后为：

L_CM'+L_N＝L₂ 式(14)

通过式(14)可知：该索体下料长度计算方法适用于任意预设下料索力的索体下料方式，并能满足施工控制原则。

6.根据权利要求1所述的考虑索结构节点区域影响的索体下料长度计算方法，其特征在于，所述索构件端部的节点区域长度L_N为：

L_N＝L_N1+L_N2 式(15)

式(15)中，L_N1为索构件第一端的节点区域长度，L_N2为索构件第二端的节点区域长度。

Images