CN111737849A - 一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法 - Google Patents

一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法 Download PDF

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CN111737849A CN202010398077.4A CN202010398077A CN111737849A CN 111737849 A CN111737849 A CN 111737849A CN 202010398077 A CN202010398077 A CN 202010398077A CN 111737849 A CN111737849 A CN 111737849A
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Abstract

本发明属于拉索玻璃幕墙施工技术领域，具体提供了一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，S01：通过逆迭代法计算出满足预来力所需的初应变，再计算拉索初应变对应的实际内力和实际位移，所述逆迭代法包括改进张力补偿迭代法；S02：上一次迭代求解得到的初应变值之后，将所述初应变值做为下一次循环计算的初应变值；S03：当循环到k次时，若拉索实际内力与预来力的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到应力值分别对应每个张拉阶段的拉索的实际内力，其中，k大于1。根据拉索在各阶段的目标索力来计算相对应的拉索内力和变形，为施工提供理论数据和参考依据，提高了拉索玻璃幕墙施工的安全可靠性。

Description

一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法
技术领域
本发明属于拉索玻璃幕墙施工技术领域，具体涉及一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法。
背景技术
玻璃幕墙张拉控制施过程中，拉锁本身刚度的形成和大小，完全取决于施工成型时施加给各个索构件预应力的大小、张拉顺序、预应力松弛状况(张拉顺序引起的内力重分布)、补张拉等。拉索结构设计时，往往只给出设计状态下每根拉索的几何位形、应力、变形状态及承载要求，至于如何形成目标位形、应力和变形状态则是未知的，施工前需要进行复杂的计算机仿真仿真分析及迭代计算，以确定每根索的张拉应力和张拉顺序。索结构目标位形或者传力体系的些许改变、索夹具的不同(预应力摩擦损失)、张拉顺序的变化、预应力张拉时环境的不同、以及玻璃安装的顺序等，都会影响预应力索结构的预应力张拉顺序等施工工艺。
有关拉索的张拉控制，在工程实践中是不可回避的重要问题。预应力索的张拉施工，受各种因素的影响极大，其结果也有较大差别。考虑到拉索张拉工作量极大，施工条件所限，一般采取分批张拉的方法。预应力张拉的批次、预应力大小和张拉顺序对于预应力索的最终几何形状影响极大，因此，预应力分批、分级张拉是拉索施工成形的关键。
传统分析中，拉索玻璃幕墙应先进行施工找形分析，确定拉索的初始几何状态，然后再确定拉索初始状态的放样几何和内力分布。实际工程中大部分结构在进行找力分析后便进行张拉分析确定施工控制力进行施工。李咏梅针对逐环张拉成型的施工方法，利用索力为控制参数，编制了一种可以考虑施工进程的施工分析程序，该程序可以考虑几何非线性、后批预应力拉索对前批预应力拉索造成的损失；可以获得初始索力和位型。然而，该方法只是针对逐环张拉成型的无脚手架施工方法而提出的，且此种无脚手架施工方法本身只是用于中小跨度，对于大跨度结构不适用。除此之外，该程序只采用索力为控制参数，没有考虑位形控制参数。大跨度结构张拉施工过程中，位形的变化相对较大，采用双控进行施工控制是必要的。广义的施工找形分析应包括找力和找形，找力分析是确定对应预应力设计值的初应变值，找形分析是获得满足预应力设计态的放样态位形，二者是缺一不可，且密切联系，因此，在对结构进行施工前必须进行施工找形分析。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中拉锁张拉施工过程中的内力及变形判断误差大的问题。
为此，本发明提供了一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，包括以下步骤：
S01：通过逆迭代法计算出满足预来力所需的初应变，再计算拉索初应变对应的实际内力和实际位移，所述逆迭代法包括改进张力补偿迭代法；
S02：上一次迭代求解得到的初应变值之后，将所述初应变值做为下一次循环计算的初应变值；
S03：当循环到k次时，若拉索实际内力与预来力的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到应力值分别对应每个张拉阶段的拉索的实际内力，其中，k大于1。
优选地，所述预来力的大小为拉索在实际工况下的目标索力。
优选地，通过获取施工最终状态下拉索的变形，然后通过变形计算得到所述目标索力。
优选地，所述改进张力补偿迭代法具体包括：
假设有n组索，张力设计值分别P1、P2、P3，…，Pn，进行k次循环。
各计算步骤为：
1)第1组拉索施加的初应变为ε1(k)，计算出拉索实际内力值为对
Figure BDA0002488408900000031
但对
Figure BDA0002488408900000032
2)第2组拉索施加的初应变为ε2(k)，计算出拉索实际内力值为
Figure BDA0002488408900000033
Figure BDA0002488408900000034
但
Figure BDA0002488408900000035
3)给3组拉索施加的初应变为ε3(k)，计算出索实际内力值为对
Figure BDA0002488408900000036
Figure BDA0002488408900000037
但
Figure BDA0002488408900000038
......
i)给i组拉索施加的初应变为εi(k)，计算索出实际内力值为
Figure BDA0002488408900000039
Figure BDA00024884089000000310
但
Figure BDA00024884089000000311
......
n)第n组拉索施加初应变为εn(k)，ANYSY程序计算索实际内力值
Figure BDA00024884089000000312
但
Figure BDA00024884089000000313
其中，k--循环序号；i--拉索组号；j--张拉批次号；Pi--第i组索的张力设计值；εi(k)--第k次循环计算中，由第i组索张力设计值计算出的初应应变；Pi(k)--第k次循环计算中，第i组索的张力；
Figure BDA00024884089000000314
一第k次循环计算中，第i组索在第j批次张拉时的实际内力。
对于初应变εi(k)，k＝1时，由Pi计算得到值；当k≠1时，由Pi(k)计算得到。
由此，各组拉索均施加了初应变，各索内力变化如：
Figure BDA0002488408900000041
Figure BDA0002488408900000042
Figure BDA0002488408900000043
......
Figure BDA0002488408900000044
Figure BDA0002488408900000045
为第k次循环计算后各组索的内力变化值；在第k次循环完成后，如果
Figure BDA0002488408900000046
就是计算误差最小时，循环计算即可结束。
优选地，如果计算误差偏大，无法满足施工要求，则进行再一次循环计算。通过将内力变化值补偿给上一次循环时索的张力值，再换算成应变值，从而修改在第k+1次循环计算前各组索的张力控制值；
Figure BDA0002488408900000047
Figure BDA0002488408900000048
......
Figure BDA0002488408900000049
P1(k+1)，P2(k+1)，......，Pn(k+1)是第k+1次循环计算时索的张力，再换算成相应的应变
Figure BDA00024884089000000410
Figure BDA00024884089000000411
将其作为下一次循环计算时的初应变值，计算方法与第k次相同。
优选地，还包括找形分析，所述找形分析采用环向索的施工找形算法，具体地，根据设定的拉索张力值，计算拉索初始长度，获取拉索当前应力密度关系，采用逐渐迭代力密度法对拉索进行找形分析，在每次拉锁张拉迭代阶段过程中跟踪拉索实际变形，若拉索实际变形与拉索初始长度的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到拉索实际变形。
优选地，计算分析用工具载体包括ANSYS或MATLAB。
本发明的有益效果：本发明提供的这种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，S01：通过逆迭代法计算出满足预来力所需的初应变，再计算拉索初应变对应的实际内力和实际位移，所述逆迭代法包括改进张力补偿迭代法；S02：上一次迭代求解得到的初应变值之后，将所述初应变值做为下一次循环计算的初应变值；S03：当循环到k次时，若拉索实际内力与预来力的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到应力值分别对应每个张拉阶段的拉索的实际内力，其中，k大于1。根据拉索在各阶段的目标索力来计算相对应的拉索内力和位移，找出结构在预应力施工过程中的不利状态，为施工提供理论数据和参考依据，提高了拉索玻璃幕墙施工的安全可靠性。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
单向双索玻璃体系主要由三部分构成玻璃、连接件和索，也就是所谓的所玻璃面板、锚固结构和索结构。
1、索结构，是由拉索作为主要受力构件形成的预应力结构体系。由其承受玻璃幕墙的荷载，并将这些荷载传递给锚固结构。作为跨越幕墙支撑跨度的重要构建之一，索结构要悬挂于锚固结构上。
2、一锚固结构，就是指对锚杆、锚索等进行支撑的结构，它承受着索结构传来的荷载，由其传给上部主体结构和下部的地基基础。
3、玻璃面板，由安装在拉索上的连接件固定在索结构上，玻璃之间通过结构胶进行填充。
由此可见，以上三者是互相制约、相互依存、互相影响的，从而共同形成幕墙系统。这些结构能够承受相应承载和变形。
本发明实施例提供了一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，如图1所示，包括以下步骤：
S01：通过逆迭代法计算出满足预来力所需的初应变，再计算拉索初应变对应的实际内力和实际位移，所述逆迭代法包括改进张力补偿迭代法；
S02：上一次迭代求解得到的初应变值之后，将所述初应变值做为下一次循环计算的初应变值；
S03：当循环到k次时，若拉索实际内力与预来力的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到应力值分别对应每个张拉阶段的拉索的实际内力，其中，k大于1。
在推导拉索的计算理论时，通常采用三个基本假设：(1)拉索是柔性结构，不能承受弯、压作用；(2)胡克定律适用于拉索材料；(3)外部载荷作用在节点上，索段呈直线状。公式推导如下：
Figure BDA0002488408900000071
Figure BDA0002488408900000072
方程式(1)和(2)就是单索问题的基本平衡微分方程。
由方程式(1)得
Figure BDA0002488408900000073
方程式(2)可以改写成
Figure BDA0002488408900000074
方程式(4)的物理意义就是：索曲线在某一点二阶导数与作用在该点的横向荷载集度成正比。
当qx沿跨度均布，，则qx＝q(常量)，公式(4)可改写成
Figure BDA0002488408900000075
通过两次积分得
Figure BDA0002488408900000081
当y＝0时x＝0
当y＝L时x＝C
由此可得
Figure BDA0002488408900000082
C2＝0
拉索幕墙张力受力的特点:一是张拉过程中幕墙的受力状态、边界条件和几何形态是变化的；二是不同的张拉顺序和方法对张拉结构的受力状态很较大影响。因此，拉索幕墙的张拉模拟应该如实反映结构位移、边界条件等的变化，如实反映不同的施工顺序和方法的影响。
为此，数值模型应该确保幕墙构件的材料、几何尺寸与实际工程相同，预应力施加与实际张拉效果相同，在各阶段施工的荷载、边界条件等与施工施工状态相同。张拉时的数值模拟与使用阶段的数值模拟存在一些差别。
由于张拉力与模型的初应变不是一般的线性关系，应该通过逆迭代法计算出满足预来力所需的初应变，在计算拉索初应变对应的内力和位移。对于张拉方式采用拉索的张拉初应变求解可以采用改进张力补偿法进行迭代求解。接下来先找力，具体原理过程如下：
假设有n组索，张力设计值为君，P1、P2、P3，…，Pn，进行k次循环。
各计算步骤为：
1)第1组拉索施加的初应变为ε1(k)，计算出索实际内力值为对
Figure BDA0002488408900000083
但对
Figure BDA0002488408900000084
2)第2组拉索施加的初应变为ε2(k)，计算出索实际内力值为
Figure BDA0002488408900000085
Figure BDA0002488408900000086
但
Figure BDA0002488408900000087
3)给3组拉索施加的初应变为ε3(k)，计算出索实际内力值为对
Figure BDA0002488408900000091
Figure BDA0002488408900000092
但
Figure BDA0002488408900000093
......
i)给i组拉索施加的初应变为εi(k)，计算索出实际内力值为
Figure BDA0002488408900000094
Figure BDA0002488408900000095
但
Figure BDA0002488408900000096
……
n)第n组拉索施加初应变为εn(k)，ANYSY程序计算索实际内力值
Figure BDA0002488408900000097
但
Figure BDA0002488408900000098
其中，k--循环序号；i--拉索组号；j--张拉批次号；Pi--第i组索的张力设计值；εi(k)--第k次循环计算中，由第i组索张力设计值计算出的初应应变；Pi(k)--第k次循环计算中，第i组索的张力；
Figure BDA0002488408900000099
一第k次循环计算中，第i组索在第j批次张拉时的实际内力。
对于初应变εi(k)，k＝1时，由Pi计算得到值；当k≠1时，由Pi(k)计算得到。
由此，各组拉索均施加了初应变，各索内力变化如：
Figure BDA00024884089000000910
Figure BDA00024884089000000911
Figure BDA00024884089000000912
......
Figure BDA00024884089000000913
Figure BDA00024884089000000914
为第k次循环计算后各组索的内力变化值。
在第k次循环完成后，如果
Figure BDA00024884089000000915
Figure BDA00024884089000000916
就是计算误差非常小时，循环计算即可结束。此时，
Figure BDA00024884089000000917
Figure BDA0002488408900000101
近似等于各索的设计张力，那么
Figure BDA0002488408900000102
Figure BDA0002488408900000103
就是ANYSY程序中第1，2，3......，n组索应施加的初应变。如果计算误差偏大，无法满足施工要求，则进行再一次循环计算。通过将内力变化值补偿给上一次循环时索的张力值，再换算成应变值，从而修改在第k+1次循环计算前各组索的张力控制值。
Figure BDA0002488408900000104
Figure BDA0002488408900000105
......
Figure BDA0002488408900000106
P1(k+1)，P2(k+1)，......，Pn(k+1)是第k+1次循环计算时索的张力，再换算成相应的应变
Figure BDA0002488408900000107
将其作为下一次循环计算时的初应变值，计算方法与第k次相同。
采用张力补偿法求解张拉控制力需要的初应变之后，分析，即跟踪张拉过程中每个张拉阶段的内力、变形。
接下来通过迭代算法进行找形，具体步骤如下：
在已知的初始几何形态和张拉力的条件下，计算结构初始状态下的内力和放样几何。它假设拉索幕墙的放样几何为{X}i，以一对方向相反、大小相同的力Tp代替张拉索，计算拉索预拉力Tp作用下结构的位形
Figure BDA0002488408900000108
及其与设计几何{X}0的差值{ΔX}i。
Figure BDA0002488408900000109
如果{ΔX}i，在设定的精度范围之内，则得到的位形
Figure BDA00024884089000001010
与初始几何形态相吻合，其相对应的内力就是预应力结构的初始态内力，这时{X}i，即是放样几何，如果未满足精度的要求，则对放样几何修改为
{X}i+1＝{X}i-{ΔX}i (10)
并继续进行迭代过程。
上述的逆迭代法存在两个不足:一是该方法可行的前提是预拉力大小Tp必须事先确定，然而在找形分析之前，结构预拉力大小往往是未知的，需要在找形分析中确定；二是用一对大小相等、方向相反的拉力对结构施加预拉力，当结构变形较大时，这种模拟方法不够精确。
本文采用逐环张拉环索施工顺序的施工找形算法，并将其应用在拉索玻璃幕墙施工分析中。
该方法具有以下几个特点：
(1)索的力学计算建立在三个基本假设之上：①拉索是柔性结构，不能承受弯、压作用。②胡克定律适用于拉索材料。③外部荷载作用在节点上，索段呈直线状。
(2)根据拉索玻璃幕墙施工进程中的几何条件、荷载条件和边界约束条件的不同，分析了拉索玻璃幕墙施工中拉索张拉受力机理。
(3)对同一个拉索玻璃幕墙的初始状态施工找形分析，应包括找力和找形两个方面，找形主要的主要目的是计算放样几何。本文结合逆迭代法选用适用于本过程拉索的双控法施工找形方法。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：通过逆迭代法计算出满足预来力所需的初应变，再计算拉索初应变对应的实际内力和实际位移，所述逆迭代法包括改进张力补偿迭代法；
S02：上一次迭代求解得到的初应变值之后，将所述初应变值做为下一次循环计算的初应变值；
S03：当循环到k次时，若拉索实际内力与预来力的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到应力值分别对应每个张拉阶段的拉索的实际内力，其中，k大于1。
2.根据权利要求1所述的拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于，所述预来力的大小为拉索在实际工况下的目标索力。
3.根据权利要求2所述的拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于：通过获取施工最终状态下拉索的变形，然后通过变形计算得到所述目标索力。
4.根据权利要求1所述的拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于，所述改进张力补偿迭代法具体包括：
假设有n组索，张力设计值分别P1、P2、P3，…，Pn，进行k次循环。
各计算步骤为：
1)第1组拉索施加的初应变为ε1(k)，计算出拉索实际内力值为对
Figure FDA0002488408890000011
但对
Figure FDA0002488408890000012
2)第2组拉索施加的初应变为ε2(k)，计算出拉索实际内力值为
Figure FDA0002488408890000013
Figure FDA0002488408890000014
但
Figure FDA0002488408890000015
3)给3组拉索施加的初应变为ε3(k)，计算出索实际内力值为对
Figure FDA0002488408890000021
Figure FDA0002488408890000022
但
Figure FDA0002488408890000023
......
i)给i组拉索施加的初应变为εi(k)，计算索出实际内力值为
Figure FDA0002488408890000024
Figure FDA0002488408890000025
但
Figure FDA0002488408890000026
......
n)第n组拉索施加初应变为εn(k)，ANYSY程序计算索实际内力值
Figure FDA0002488408890000027
但
Figure FDA0002488408890000028
其中，k--循环序号；i--拉索组号；j--张拉批次号；Pi--第i组索的张力设计值；εi(k)--第k次循环计算中，由第i组索张力设计值计算出的初应应变；Pi(k)--第k次循环计算中，第i组索的张力；
Figure FDA0002488408890000029
一第k次循环计算中，第i组索在第j批次张拉时的实际内力。
对于初应变εi(k)，k＝1时，由Pi计算得到值；当k≠1时，由Pi(k)计算得到。
由此，各组拉索均施加了初应变，各索内力变化如：
Figure FDA00024884088900000210
Figure FDA00024884088900000211
Figure FDA00024884088900000212
......
Figure FDA00024884088900000213
Figure FDA00024884088900000214
为第k次循环计算后各组索的内力变化值；在第k次循环完成后，如果
Figure FDA00024884088900000215
就是计算误差最小时，循环计算即可结束。
5.根据权利要求4所述的拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于：如果计算误差偏大，无法满足施工要求，则进行再一次循环计算。通过将内力变化值补偿给上一次循环时索的张力值，再换算成应变值，从而修改在第k+1次循环计算前各组索的张力控制值；
Figure FDA0002488408890000031
Figure FDA0002488408890000032
......
Figure FDA0002488408890000033
P1(k+1)，P2(k+1)，......，Pn(k+1)是第k+1次循环计算时索的张力，再换算成相应的应变
Figure FDA0002488408890000034
Figure FDA0002488408890000035
将其作为下一次循环计算时的初应变值，计算方法与第k次相同。
6.根据权利要求1所述的拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于，还包括找形分析，所述找形分析采用环向索的施工找形算法，具体地，根据设定的拉索张力值，计算拉索初始长度，获取拉索当前应力密度关系，采用逐渐迭代力密度法对拉索进行找形分析，在每次拉锁张拉迭代阶段过程中跟踪拉索实际变形，若拉索实际变形与拉索初始长度的差值小于预设值时，循环结束，并记录上述每次计算得到拉索实际变形。
7.根据权利要求1或6所述的拉索张拉施工过程中内力及变形跟踪方法，其特征在于：计算分析用工具载体包括ANSYS或MATLAB。
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