CN111723418B - 预应力张拉控制方式的精确性判别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种预应力张拉控制方式的精确性判别方法，包括以下步骤：建立有限元模型；设置主动索和位移监控点，对预应力结构进行张拉过程仿真分析；提取所选用张拉设备及位移测量设备的测量误差值；计算张拉过程中单个位移监控点的位移值与单根主动索的张拉力；计算位移监控点的等效张拉刚度；比较所有位移监控点两种张拉控制方式的精确性；比较任意时刻各位移监控点张拉力及位移两种控制方式的精准性高低。本发明解决了预应力结构张拉控制中张拉力与位移值这两种控制方式哪种更精确缺乏判别依据这一难题。同时，可针对工程具体要求，主动确定张拉设备精度，应用该判别方法，从而更有效地对预应力的建立进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及施工技术领域，具体涉及一种预应力张拉控制方式的精确性判别方法。
背景技术
预应力技术能够解决混凝土结构中的挠度与裂缝问题，目前在混凝土结构中的应用已趋于成熟。近年来随着大跨度空间在国内广泛应用，预应力技术也开始引入至大跨度空间结构中，形成了张弦、弦支、索穹顶等复杂的预应力结构，这些复杂预应力结构已广泛应用于大型体育场馆、航站楼、会展中心等结构中。与预应力混凝土结构相比，因复杂预应力结构的跨度大、结构构造复杂，其对预应力的引入技术也提出了更高的要求。复杂预应力结构一般通过张拉高强钢索而在结构中建立预应力，张拉施工时实际建立的预应力值与理论值是否一致，不仅关系到结构的形态，更影响到结构的安全性。因此，如何选取合理的控制方式，确保复杂预应力结构中实际建立的预应力与理论值最为接近是张拉施工过程控制的最关键技术。
目前复杂预应力结构张拉过程控制主要采用张拉力及位移两种控制方式，但是如何判断这两种控制方式的精准性主要是依据已有的工程经验。在复杂预应力结构的预应力建立过程中，因张拉力的度量设备(千斤顶液压表、索力计等)及位移测量设备(全站仪、水准仪、钢尺等)均存在误差，且二者单位也不同，因此，哪个测量结果更为精确仅凭工程经验很难做出正确的判断。
综上所述，对于复杂预应力结构的张拉，张拉力及位移两种控制方式哪个精度更高这一难题，目前尚无明确的判别方法。
发明内容
本发明提供一种预应力张拉控制方式的精确性判别方法，用以解决目前尚无相关明确判别方法的难题。
为了解决上述问题，本发明提供一种预应力张拉控制方式的精确性判别方法，该判别方法包括以下步骤：
步骤S1：建立有限元模型，对预应力结构进行张拉施工过程仿真分析；
步骤S2：在所述拉索中设置主动索和在所述构件上设置位移监控点；
步骤S3：提取所选用的张拉设备及位移测量设备的测量误差值；
步骤S4：计算张拉施工过程单一时刻单个位移监控点的位移值与单根主动索的张拉力；
步骤S5：计算张拉施工过程单一时刻位移监控点的等效张拉刚度；
步骤S6：比较所有位移监控点两种控制方式的精确性；
步骤S7：重复所述步骤S4至所述步骤S6，比较张拉施工过程任意时刻张拉力与位移两种控制方式的精准性高低。
优选地，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：从拉索1中选取主动索；
步骤S22：选取张拉施工过程的位移监控点。
优选地，所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31：根据所选用的张拉力测量设备，提取单根主动索Z的张拉力F的测量误差值δ：
其中δj表示第j根主动索Zj的张拉力Fj的测量误差，1≤j≤n；
步骤S32：根据所选用的位移测量设备，提取单个位移监控点P的位移测量误差值△：
其中△i表示第i个位移测量控制点Pi的位移测量误差值，1≤i≤m。
优选地，所述步骤S4包括以下步骤：
步骤S41：利用有限元程序，计算出张拉施工过程中t时刻单根主动索Z的张拉力Ft：
其中
表示在t时刻第j根主动索Zj的张拉力值，1≤j≤n；
步骤S42：利用有限元程序，计算出张拉施工过程中t时刻单个位移监控点P的位移值Ut：
其中
表示t时刻第i个位移监控点Pi的位移值，1≤i≤m。
优选地，所述步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：利用有限元程序，计算t时刻经过微小时间步长增量△t所对应时刻张拉力值
和位移值
步骤S52：计算t时刻位移监控点Pi在第j根主动索Zj的张拉力
作用下的等效张拉刚度
其中，1≤i≤m，1≤j≤n；
步骤S53：重复所述步骤S4至所述步骤S52，分别计算t时刻所有位移监控点P的等效张拉刚度，得到张拉施工过程的等效张拉刚度矩阵：
其中，1≤i≤m，1≤j≤n。
优选地，所述步骤S51包括以下步骤：
计算t时刻第j根主动索Zj经过微小时间步长增量△t后的张拉力
即第j根主动索Zj取微小的时间步长增量△t下的张拉力值
保持其余拉索1的张拉力不变，通过有限元程序计算出位移监控点Pi因第j根主动索的张拉力的微小变化后的位移值
优选地，所述步骤S6包括以下步骤：
步骤S61：将张拉力设备误差值{δ}、测量设备误差值{△}和等效张拉刚度矩阵[Kt]代入下列公式，比较t时刻单个位移监控点Pi两种控制方式的精确性：
(1)当
时，位移控制方式的精确性更高；
(2)当
时，张拉力控制方式的精确性更高；
(3)当
时，两种控制方式的精确性相同。
步骤S62：重复所述步骤S61，比较张拉过程t时刻所有位移监控点P两种控制方式的精确性。
本发明的有益效果是：
本发明公开一种预应力张拉控制方式的精确性判别方法，该判别方法利用有限元模型计算位移监控点的等效张拉刚度，在充分考虑结构张拉施工过程张拉力及位移测量设备所产生的误差基础上，再结合等效张拉刚度、张拉力，给出了两种控制方式精确性判别的具体计算公式，彻底解决了复杂预应力结构张拉施工控制中张拉力与位移这两种控制方式哪种更精确所缺乏判别依据这一难题，从而确保了结构中预应力的更精确引入。同时，可针对具体工程要求，应用该判别方法，主动确定张拉设备精度，从而更有效地对预应力的建立进行控制。
附图说明
图1为发明提供的预应力结构的有限元模型；
图2为发明提供的预应力结构张拉时主动索及位移监测控制点布置示意图；
图3为发明提供的任意时刻位移控制点的等效刚度求解示意。
具体实施方式
实施例1
实施例1提供一种预应力结构:弦支穹顶结构的张拉施工过程中张拉力及位移两种控制方式的精确性判别方法。弦支穹顶由下部拉索1、撑杆2及上部构件3组成；上部构件3可以是单层网壳。其中拉索1又分为环向索(图中编号为HS-1，HS-2，…)与径向索(图中编号为JXS-1，JXS-2，…)，该弦支穹顶结构环向索为一环，每根撑杆处布置两根径向索，具体见图1。该弦支穹顶结构张拉施工时张拉力及位移两种控制方式的精确性判别方法包括以下步骤：
步骤S1：根据结构施工图，建立仿真分析有限元模型；
根据图1所示弦支穹顶结构施工图，应用有限元分析软件，建立施工过程仿真分析有限元模型。由结构施工图纸到有限元模型的详细建模方法具体可参考仿真分析时所采用的有限元软件的操作手册。
步骤S2：根据有限元模型及张拉施工方案，在所述拉索1中设置主动索Z和在所述上部构件3上设置位移监控点P，其具体步骤如下：
步骤S21：从拉索1中选取JXS为主动索(编号为Z1，Z2，…，Zn)，具体见图2；
各主动索及与其相连的撑杆、环索之间通过节点保持静力平衡关系，具体可参照介绍新型空间结构的公开书籍，如《现代预应力钢结构》(陆赐麟等，人民交通出版社，2003)、《索结构体系、设计原理与施工控制》(郭彦林等，科学出版社，2014)、《新型空间结构分析、设计与施工》(董石麟等，人民交通出版社，2006)等。
步骤S22：设置张拉施工过程的位移监控点P；
根据工程需要，在上部构件3上设置位移监控点P(图中编号为P1,P2,…,Pm)，如图2所示；
位移监控点Pi的设置，可参考《建筑与桥梁结构监测技术规范》(GB50982-2014)、《预应力钢结构技术规程》(CECS212：2006)等相关规范。
步骤S3：根据所选用的张拉设备及位移测量设备，提取张拉力及位移的测量误差值；
步骤S31：根据所选用的张拉力测量设备(如千斤顶压力表，索力计等)提取单个主动索Z的张拉力测量误差值δ：
其中δj表示第j根主动索Zj的张拉力Fj的测量误差，1≤j≤n；
步骤S32：根据所选用的位移测量设备(如全站仪、水准仪、钢尺等)，提取单个位移监控点P的位移测量误差值△：
其中△i表示第i个位移监控制点Pi的位移测量误差，1≤i≤m；
需要说明的是：张拉力及位移测量误差，是由设备的精度所确定，如一般千斤顶油压表测力误差有2％、5％等级别；而位移上，如钢尺误差为1mm等等；一旦测量设备选定了，则其之测量的误差值也是确定的，因此，这里不需要再进行“测量”。
步骤S4：利用有限元分析程序，计算出张拉施工过程中单个位移监控点P的位移值Ut与单根主动索Z的张拉力Ft；
步骤S41：利用有限元程序，计算出张拉施工过程中t时刻单个主动索Z的张拉力Ft：
其中
表示在t时刻第j根主动索Zj的张拉力值，1≤j≤n；
步骤S42：利用有限元程序，计算出张拉施工过程中t时刻单个位移监控点P的位移值Ut：
其中
表示t时刻第i个位移监控点Pi的位移值，1≤i≤m；
步骤S5：计算预应力结构张拉施工过程中t时刻位移监控点P的等效张拉刚度，等效张拉刚度的计算方法如下：
步骤S51：利用有限元程序分别计算微小时间步长增量△t后的张拉力值
和位移值
具体步骤如下：
计算第j根主动索Zj经过微小时间步长增量△t后的张拉力
即第j根主动索Zj取微小的时间步长增量△t下的张拉力值
保持其余拉索1的张拉力不变，通过有限元程序计算出因第j根主动索Zj张拉力的微小变化后位移监控点Pi的位移值
步骤S52：计算t时刻位移监控点Pi在第j根主动索Zj的张拉力作用下的等效张拉刚度
等效张拉刚度
为引起位移监控点Pi产生位移的张拉力增量与位移增量的比值，如图3所示，其表达式为：
其中，1≤i≤m，1≤j≤n；
步骤S53：重复步骤S51至步骤S53，分别计算t时刻所有位移监控点P的等效张拉刚度，得到张拉施工过程的等效张拉刚度矩阵：
其中，1≤i≤m，1≤j≤n；
步骤S6：比较张拉施工过程t时刻所有位移监控点P两种控制方式的精确性；
步骤S61：将张拉力设备误差值{δ}、测量设备误差值{△}和等效张拉刚度矩阵[Kt]代入下列公式，比较t时刻单个位移监控点Pi两种控制方式的精确性：
(1)当
时，位移控制方式的精确性更高；
(2)当
时，张拉力控制方式的精确性更高；
(3)当
时，两种控制方式的精确性相同；
步骤S62：重复步骤S61，比较张拉施工过程t时刻所有位移监控点P两种控制方式的精确性；
步骤S7：重复步骤S4至步骤S6，比较张拉施工过程中任意时刻位移控制方式与张拉力控制方式的精确性。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所作的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (3)
1.一种预应力张拉控制方式的精确性判别方法，其特征在于，所述判别方法包括以下步骤：
步骤S1：建立结构有限元模型，对预应力结构进行张拉施工过程仿真分析，所述有限元模型包括拉索(1)、撑杆(2)、上部构件(3)；
步骤S2：在所述拉索(1)中设置主动索和在所述上部构件(3)上设置位移监控点；
步骤S3：提取所选用的张拉设备及位移测量设备的测量误差值；所述步骤S3包括以下步骤：
步骤S31：根据所选用的张拉力测量设备，提取单个主动索Z的张拉力误差值δ：
其中δj表示第j根主动索Zj的张拉力Fj的测量误差，1≤j≤n；
步骤S32：根据所选用的位移测量设备，提取单个位移监控点P的位移测量误差值△：
其中Δi表示第i个位移测量控制点Pi的位移测量误差，1≤i≤m；
步骤S4：计算张拉施工过程单一时刻单个监控点的位移值与单根主动索的张拉力；所述步骤S4包括以下步骤：
步骤S41：利用有限元程序，计算出张拉施工过程中t时刻单根主动索Z的张拉力Ft：
其中
表示在t时刻第j根主动索Zj的张拉力值，1≤j≤n；
步骤S42：利用有限元程序，计算出张拉施工过程中t时刻单个位移监控点P的位移值Ut：
其中
表示t时刻第i个位移监控点Pi的位移值，1≤i≤m；
步骤S5：计算张拉施工过程单一时刻位移控制点的等效张拉刚度；所述步骤S5包括以下步骤：
步骤S51：利用有限元程序，计算t时刻经过微小时间步长增量Δt所对应时刻的张拉力值
和位移值
步骤S52：计算t时刻位移监控点Pi在第j根主动索张拉力作用下的等效张拉刚度
其中，1≤i≤m，1≤j≤n；
步骤S53：重复所述步骤S4至所述步骤S52，分别计算t时刻所有位移监控点P的等效张拉刚度，得到张拉施工过程的等效张拉刚度矩阵：
其中，1≤i≤m，1≤j≤n；
步骤S6：比较所有位移监控点两种控制方式的精确性；所述步骤S6包括以下步骤：
步骤S61：将张拉力设备误差{δ}、测量设备误差{Δ}和等效张拉刚度矩阵[Kt]代入下列公式，比较t时刻单个位移监控点Pi两种控制方式的精确性：
(1)当
时，位移控制方式的精确性更高；
(2)当
时，张拉力控制方式的精确性更高；
(3)当
时，两种控制方式的精确性相同；
步骤S62：重复所述步骤S61，比较张拉施工过程t时刻所有位移监控点P两种控制方式的精确性；
步骤S7：重复所述步骤S4至所述步骤S6，比较张拉施工过程任意时刻张拉力与位移两种控制方式的精准性高低。
2.如权利要求1所述的预应力张拉控制方式的精确性判别方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
步骤S21：从拉索中选取主动索；
步骤22：选取张拉施工过程的位移监控点。
3.如权利要求1所述的预应力张拉控制方式的精确性判别方法，其特征在于，所述步骤S51包括以下步骤：
计算第j根主动索Zj经过微小时间步长增量Δt后的张拉力
即第j根主动索
取微小的时间步长Δt增量下张拉力值
保持其余拉索(1)的张拉力不变，通过有限元程序计算出因第j根主动索的张拉力的微小变化后位移监控点Pi的位移值
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Effective date of registration: 20230303 Address after: 8/F, Kaibo Building, No. 30, North 3rd Ring East Road, Chaoyang District, Beijing, 100013 Applicant after: CABR TECHNOLOGY (BEIJING) STRUCTURAL ENGINEERING Co.,Ltd. Address before: 100013, No. 30 East Third Ring Road, Chaoyang District, Beijing Applicant before: China Construction Research Technology Co.,Ltd. |
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