CN112081285A - 一种索结构预应力态拉索长度确定方法 - Google Patents

一种索结构预应力态拉索长度确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种索结构预应力态拉索长度确定方法，包括以下步骤：1、进行施工全过程模拟仿真计算得到索结构预应力态，提取各个节点的预应力态三维坐标和每根拉索的标记力值；2、采用BIM三维可视化软件建模得到预应力态BIM模型；3、测量拉索的长度作为拉索下料长度；4、在图纸中标明拉索下料长度和标记力值；5、索结构安装完毕后，对索结构进行空间定位和三维扫描，获得真实状态三维坐标；6、在BIM三维可视化软件建立真实状态BIM模型，测量拉索的长度，得到拉索施工后长度，与拉索下料长度比较，确定是否要采取相应的技术措施或者调整索结构施工方案；本发明能够优化索结构的受力状态，使得每根拉索均承受适当的拉力，进而保证索结构的整体刚度。

Description

一种索结构预应力态拉索长度确定方法
技术领域
本发明涉及预应力索结构产品技术领域，特别是涉及一种索结构预应力态拉索长度确定方法。
背景技术
大跨度预应力钢结构是衡量一个国家建筑科技水平的重要标准之一，也是一个国家文明发展程度的象征，我国大跨度预应力钢结构的发展顺应时代要求，近年来建筑外形灵活新颖的索结构工程层出不穷，得到了广泛的应用。
索结构属于预应力钢结构体系，其结构特点在于以索为主要受力构架，因此该结构中由大量拉索组成，而拉索需要施加预应力形成有效的结构刚度来抵抗外荷载作用。索结构整体刚度由受拉构件承受预拉力形成，节点是典型的铰接节点；索结构为柔性结构，工作过程中挠度变形较大，构件的变形会引起结构内力重分布，具有较强的几何非线性；计算状态具有不确定性，需要找形实现。基于索结构的以上特点，可以看出拉索长度的精准确定是索结构成功建立的关键所在。以往的工程实践也证明了，索结构施工中拉索的安装与预应力的施加和拉索下料长度的精准程度息息相关。
传统的下料方法是，根据图纸上给出的拉索节点间距离L和设计给出的拉索初拉力F进行计算，由于拉索是线弹性材料，符合胡克定律，按照胡克定律算出拉索的应变ε，得出拉索的应变量△L＝εL，那么，下料长度L'即为L-△L。但是，此种方法过于粗糙，精确度不够，不能保证每根拉索的受力状态达到设计要求，因此，可能会影响到索结构的整体刚度。
发明内容
本发明的目的是提供一种索结构预应力态拉索长度确定方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够优化索结构的受力状态，使得每根拉索均承受适当的拉力，进而保证索结构的整体刚度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种索结构预应力态拉索长度确定方法，应用于索结构，所述索结构包括多根拉索，所述拉索在节点处安装连接，包括以下步骤：
(1)根据确定的施工方法或施工方案进行施工全过程模拟仿真计算，得到索结构预应力态，根据所述索结构预应力态，提取各个节点的预应力态三维坐标和每根所述拉索的标记力值；
(2)根据所述预应力态三维坐标，采用BIM三维可视化软件建模得到预应力态BIM模型；
(3)在所述预应力态BIM模型中，测量所述拉索在三维空间内的长度，作为拉索下料长度；
(4)在图纸中标明所述拉索下料长度和所述标记力值，完成拉索下料图纸；
(5)施工现场所述索结构安装完毕后，对所述索结构进行空间定位和三维扫描，获得所述索结构各个节点的真实状态三维坐标；
(6)根据所述真实状态三维坐标，在BIM三维可视化软件建立真实状态BIM模型，在所述真实状态BIM模型里测量所述拉索在三维空间内的长度，得到拉索施工后长度，所述拉索施工后长度与所述拉索下料长度比较，得到两者差值，根据两者差值来判断所述拉索是否承受拉力，进而确定是否要采取相应的技术措施或者调整索结构施工方案来满足设计、施工要求。
优选地，步骤(1)中利用ANSYS或Midas建立有限元计算模型，进行施工全过程仿真计算分析，计算中考虑施工偏差和材料构件偏差。
优选地，步骤(2)和步骤(6)中的BIM三维可视化软件包括Revit、Bentley或Catia；
优选地，步骤(2)中在建立所述预应力态BIM模型时，将所有结构构件在所述预应力态BIM模型中建立起来，形成三维实体模型。
优选地，步骤(4)中完成的所述拉索下料图纸中包括拉索的直径和力学性能。
优选地，步骤(5)中采用三维扫描仪和全站仪对所述索结构进行空间定位和三维扫描。
优选地，步骤(5)中对加工完成运送至施工现场的每个节点结构进行三维扫描，获得所述节点结构的点云模型，步骤(6)中根据所述点云模型和所述真实状态三维坐标建立所述真实状态BIM模型。
优选地，所述节点结构包括耳板、销轴、加劲肋。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
(1)本发明应用BIM三维可视化软件建立预应力态BIM模型和真实状态BIM模型，并相应的在可视化三维空间内经测量得到拉索下料长度和拉索施工后长度，也就是说，本发明拉索长度的确定方式，利用BIM三维可视化软件执行，能够保证计算的精确度，最终能够保证整个索结构的施工精确度；
(2)本发明根据所得到的拉索下料长度和拉索施工长度来计算两个长度的差值，根据两者差值来判断拉索是否承受拉力，进而确定是否要采取相应的技术措施或者调整索结构施工方案来满足设计、施工要求，从而能够优化索结构的受力状态，使得每根拉索均承受适当的拉力，进而保证索结构的整体刚度；
(3)本发明在确定拉索下料长度，进行仿真计算时，考虑了施工方法或施工方案对索结构成形的影响，也考虑了施工偏差和材料构件偏差，对索结构下料长度进行了修正，能够更精确的确定拉索下料长度，避免拉索下料长度不够精确导致的索结构位形误差的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为索结构预应力态拉索长度确定方法流程图；
图2为轮辐式索桁架结构预应力态BIM模型；
图3为预应力态BIM模型俯视图；
图4为单榀索桁架上、下弦拉索下料长度示意图；
其中，1、单榀索桁架；2、索桁架节点；3、上弦拉索；31、第一上弦索；32、第二上弦索；33、第三上弦索；4、下弦拉索；41、第一下弦索；42、第二下弦索；43、第三下弦索。
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种索结构预应力态拉索长度确定方法，以解决现有技术存在的问题，能够优化索结构的受力状态，使得每根拉索均承受适当的拉力，进而保证索结构的整体刚度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种索结构预应力态拉索长度确定方法，应用于索结构，索结构包括多根拉索，拉索在节点处安装连接，需要说明的是，节点处一般设置有耳板、销轴、加劲肋等节点结构，拉索与节点结构的连接方式一般采用铰接，当然，索结构还包括其他结构构件，此处不再赘述，如图1所示，本发明索结构预应力态拉索长度确定方法包括以下步骤：
(1)根据确定的施工方法或施工方案进行施工全过程模拟仿真计算，得到索结构预应力态，根据索结构预应力态，提取各个节点的预应力态三维坐标和每根拉索的标记力值，其中，标记力值指的是索结构的索力值，也就是拉索在预应力状态下的拉力值；
(2)根据预应力态三维坐标，采用BIM三维可视化软件建模得到预应力态BIM模型；
(3)在预应力态BIM模型中，测量拉索在三维空间内的长度，作为拉索下料长度，需要说明的是，在测量时测量的是节点之间的间距，具体的可以选取拉索两端的销轴中心孔之间的间距，该间距即为拉索在三维空间内的长度；
(4)在图纸中标明拉索下料长度和标记力值，完成拉索下料图纸，需要注意的是，该拉索下料长度是拉索在标记力的作用下拉伸后的长度，下料时依据图纸，对拉索施加指定的标记力使其拉伸到指定的长度后再进行下料，从而确保下料尺寸的准确度；
(5)施工现场索结构安装完毕后，对索结构进行空间定位和三维扫描，此时，扫描的是索结构的边界结构，通过索结构边界结构获得索结构各个节点的真实状态三维坐标；
(6)根据真实状态三维坐标，在BIM三维可视化软件建立真实状态BIM模型，在真实状态BIM模型里测量拉索在三维空间内的长度，得到拉索施工后长度，拉索施工后长度与拉索下料长度比较，得到两者差值，根据材料力学，拉索是线弹性材料，符合胡克定律，拉索只能承受拉力，不承受压力和弯矩，据此，根据两者差值来计算索力差值，来判断拉索是否承受拉力，进而确定是否要采取相应的技术措施或者调整索结构施工方案来满足设计、施工要求。
本发明应用BIM三维可视化软件建立预应力态BIM模型和真实状态BIM模型，并相应的在可视化三维空间内经测量得到拉索下料长度和拉索施工后长度，也就是说，本发明拉索长度的确定方式，利用BIM三维可视化软件执行，能够保证计算的精确度，最终能够保证整个索结构的施工精确度；本发明根据所得到的拉索下料长度和拉索施工长度来计算两个长度的差值，根据两者差值来判断拉索是否承受拉力，进而确定是否要采取相应的技术措施或者调整索结构施工方案来满足设计、施工要求，从而能够优化索结构的受力状态，使得每根拉索均承受适当的拉力，进而保证索结构的整体刚度。
进一步的，步骤(1)中利用ANSYS或Midas建立有限元计算模型，进行施工全过程仿真计算分析，计算中考虑施工偏差和材料构件偏差。
进一步的，步骤(2)和步骤(6)中的BIM三维可视化软件包括Revit、Bentley或Catia；
进一步的，步骤(2)中在建立预应力态BIM模型时，将所有结构构件在预应力态BIM模型中建立起来，形成三维实体模型，其中结构构件包括拉索、耳板、边界结构等，其均形成三维实体模型。
进一步的，步骤(4)中完成的拉索下料图纸中包括拉索的直径和力学性能。
进一步的，步骤(5)中采用三维扫描仪和全站仪对索结构进行空间定位和三维扫描，采用全站仪和三维扫描仪实现施工现场复测，得到现场已完工程的真实状态BIM模型，据此判别接下来的索结构施工是否要调整施工方案或者采取何种针对性的施工技术措施，以达到更加精确的施工效果。
进一步的，步骤(5)中对加工完成运送至施工现场的每个节点结构进行三维扫描，获得节点结构的点云模型，步骤(6)中根据点云模型和真实状态三维坐标建立真实状态BIM模型。
其中，节点结构包括耳板、销轴、加劲肋。
本发明还提供一具体的实施例：
以某大型体育场结构为例，如图2所示，该建筑的屋盖采用轮辐式索桁架结构，具体步骤如下：
(1)采用大型计算分析软件Midas建立屋盖结构即轮辐式索桁架结构的模型，用确定的施工方案进行施工全过程模拟仿真计算分析，计算过程中考虑柔性结构的几何非线性，通过多步骤施工过程计算得到最终的轮辐式索桁架结构预应力态空间位置和几何形状，提出预应力态轮辐式索桁架结构的各个索桁架节点2的预应力态三维坐标以及每根柔性拉索的标记力值(索力值)。
(2)依据Midas里提取出来的轮辐式索桁架结构各个索桁架节点2的预应力态三维坐标和每根拉索的索力值，如图2所示，在三维可视化软件Revit中建立预应力态BIM模型，如图3所示，为预应力态BIM模型的俯视图，所有的结构构件、拉索构件、节点构造、各种连接方式等全部以实体模型的方式建立，如图4所示，得到单榀索桁架1的BIM模型。
(3)在预应力态BIM模型里，测量每根拉索两端索桁架节点2中心轴间的距离，如图4所示，测量单榀索桁架1上弦拉索3各个索桁架节点2中心线间距离，分别为第一上弦索31、第二上弦索32和第三上弦索33，其长度分别为L1、L2和L3；测量下弦拉索4各个索桁架节点2中心线间距离，分别为第一下弦索41、第二下弦索42和第三下弦索43，其长度分别为L4、L5和L6；此时，上弦拉索3的拉索下料长度为LU，下弦拉索4的拉索下料长度为LD，其中LU＝L1+L2+L3，LD＝L4+L5+L6。
(4)绘制拉索下料图纸，拉索下料长度包括上弦拉索3的拉索下料长度LU和下弦拉索4的拉索下料长度LD，拉索下料标记力即为该根索力在预应力态Midas中提取的上弦拉索3的索力FU和下弦拉索4的索力FD，图纸中还要写明拉索直径、力学性能等。
(5)体育场施工到主体看台、屋盖边界结构及索桁架节点2完成时，到施工现场用三维扫描仪和全站仪对与轮辐式索桁架结构相关联的边界结构和相应索桁架节点2进行空间定位和三维扫描；用全站仪可以获得轮辐式索桁架结构边界结构的真实状态三维坐标，用三维扫描仪对加工完成运送至施工现场的每个轮辐式索桁架结构相关的索桁架节点2进行三维扫描，得到索桁架节点2的全部构造，获得索桁架节点2的点云模型，对每根拉索进行三维扫描，得到拉索的数字模型。
(6)根据全站仪测量得到的轮辐式索桁架结构边界结构的真实状态三维坐标和三维扫描仪得到的索桁架节点2点云模型和拉索的数字模型，在三维可视化软件Revit里建立真实状态BIM模型；在真实状态BIM模型里复测每根拉索两端节点销轴中心间距离，得到拉索施工后长度，将拉索施工后长度与拉索下料长度对比，得到差值；据此考虑是否需要采取相应的施工技术措施或者调整施工方案来满足设计和施工要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：应用于索结构，所述索结构包括多根拉索，所述拉索在节点处安装连接，包括以下步骤：
(1)根据确定的施工方法或施工方案进行施工全过程模拟仿真计算，得到索结构预应力态，根据所述索结构预应力态，提取各个节点的预应力态三维坐标和每根所述拉索的标记力值；
(2)根据所述预应力态三维坐标，采用BIM三维可视化软件建模得到预应力态BIM模型；
(3)在所述预应力态BIM模型中，测量所述拉索在三维空间内的长度，作为拉索下料长度；
(4)在图纸中标明所述拉索下料长度和所述标记力值，完成拉索下料图纸；
(5)施工现场所述索结构安装完毕后，对所述索结构进行空间定位和三维扫描，获得所述索结构各个节点的真实状态三维坐标；
(6)根据所述真实状态三维坐标，在BIM三维可视化软件建立真实状态BIM模型，在所述真实状态BIM模型里测量所述拉索在三维空间内的长度，得到拉索施工后长度，所述拉索施工后长度与所述拉索下料长度比较，得到两者差值，根据两者差值来判断所述拉索是否承受拉力，进而确定是否要采取相应的技术措施或者调整索结构施工方案来满足设计、施工要求。
2.根据权利要求1所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：步骤(1)中利用ANSYS或Midas建立有限元计算模型，进行施工全过程仿真计算分析，计算中考虑施工偏差和材料构件偏差。
3.根据权利要求1所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(6)中的BIM三维可视化软件包括Revit、Bentley或Catia。
4.根据权利要求1所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：步骤(2)中在建立所述预应力态BIM模型时，将所有结构构件在所述预应力态BIM模型中建立起来，形成三维实体模型。
5.根据权利要求1所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：步骤(4)中完成的所述拉索下料图纸中包括拉索的直径和力学性能。
6.根据权利要求1所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：步骤(5)中采用三维扫描仪和全站仪对所述索结构进行空间定位和三维扫描。
7.根据权利要求6所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：步骤(5)中对加工完成运送至施工现场的每个节点结构进行三维扫描，获得所述节点结构的点云模型，步骤(6)中根据所述点云模型和所述真实状态三维坐标建立所述真实状态BIM模型。
8.根据权利要求6所述的索结构预应力态拉索长度确定方法，其特征在于：所述节点结构包括耳板、销轴、加劲肋。
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