CN115357976B - 基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法 - Google Patents

基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，包括：根据设计要求建立大跨度钢结构的有限元模型；根据某一施工方案中临时支撑的截面信息、位置信息以及边界信息，在有限元分析软件中建立临时支撑的有限元模型，同时根据施工流程定义结构组、边界组以及荷载组，并进行模拟施工以得到大跨度钢结构的模拟模型；利用有限元分析软件对大跨度钢结构的模拟模型的位移进行迭代计算，以输出最终的零态模型和最终的施工方案。该方法可以解决现有技术没有考虑施工过程产生的变形和内力对最终建造完成的大跨度钢结构承载力性能的影响的问题。

Description

基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法
技术领域
本申请涉及结构性能分析技术领域，具体而言，涉及一种基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法。
背景技术
当前大跨度钢结构（钢结构跨度大于30m的结构）设计规范和施工规范中建议的方法，都没有对施工方案、实际安装误差产生的对初始结构方案的承载力性能的影响提出具体解决方案；只是要求建造完成的结构能够具有设计承载力，完成结构产生的变形与设计变形相比不超过某一个限值即可，因此可以认为此时结构性能是处于一个区间，而没有关于该完成结构承载力性能的精确解。
现有大跨度钢结构施工变形分析技术都是基于现行结构施工规范进行的，通常只是考虑控制建造过程产生的变形量在一个允许范围及保证建造过程中大跨度钢结构的安全性，并没有考虑施工过程产生的变形和内力对最终建造完成的大跨度钢结构承载力性能的影响。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，以解决现有技术没有考虑施工过程产生的变形和内力对最终建造完成的大跨度钢结构承载力性能的影响的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，包括：
步骤S1：根据设计要求建立大跨度钢结构的有限元模型；
步骤S2：根据某一施工方案中临时支撑的截面信息、位置信息以及边界信息，在有限元分析软件中建立临时支撑的有限元模型，同时根据施工流程定义结构组、边界组以及荷载组，并进行施工模拟计算；
步骤S3：利用有限元分析软件对大跨度钢结构的位移进行迭代计算，以输出最终的零态模型和最终的施工方案。
进一步地，在所述步骤S1中，所述根据设计要求建立大跨度钢结构的有限元模型之后还包括：建立直角坐标系，并以该大跨度钢结构的有限元模型的初始节点坐标设置为X0(i)，i为节点编号，其中，节点编号连续分布，最小值为1，最大值为n 。
进一步地，所述直角坐标系的X轴沿大跨度钢结构的宽度方向，Y轴沿大跨度钢结构的长度方向，Z轴沿大跨度钢结构的高度方向。
进一步地，在所述步骤S2中：
所述结构组为每一个施工流程新安装的杆件或新拆除的杆件；
所述边界组为每一个施工流程新安装的杆件或新拆除的杆件所包含的边界信息；
所述荷载组为每一个施工流程新增加的荷载或新消失的荷载。
进一步地，在所述步骤S2中，根据所述施工流程定义结构组、边界组以及荷载组之后还包括：定义施工阶段，激活每一个施工流程新增加的所述结构组、所述边界组和所述荷载组，钝化每一个施工流程新消失的所述结构组、所述边界组和所述荷载组。
进一步地，所述步骤S3包括：
步骤31：在有限元分析软件后处理界面以表格形式输出大跨度钢结构的位移U0(i)，同时令大跨度钢结构的有限元模型坐标调整值S(i)=U0(i)；
步骤32：将坐标调整值S(i)反向施加于大跨度钢结构的有限元模型的初始节点坐标X0(i)，并计算得到此时的大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标X1(i)再次进行施工模拟分析，以表格形式输出大跨度钢结构的位移U1(i)；
步骤33：计算大跨度钢结构的位移差，将大跨度钢结构的位移差ΔU1(i)与事先给定的精度m进行比较，如果
Figure 195919DEST_PATH_IMAGE001
，则满足精度要求，修改大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标得到大跨度钢结构的最终设计构型X(i)=X0(i)-S(i)；如果
Figure 644218DEST_PATH_IMAGE002
，则不满足精度要求，令坐标调整值S(i)=U1(i)返回所述步骤S32，之后重复运行所述步骤S32和所述步骤S33直至满足精度要求为止，然后修改大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标得到大跨度钢结构的最终设计构型X(i)，其中，/>
Figure 958043DEST_PATH_IMAGE003
为大跨度钢结构的模拟模型上的所有节点的位移差的平方之和；
步骤S34：对大跨度钢结构的最终设计构型按设计标准进行荷载组合承载力验算，如果满足设计要求，则输出最终的零态模型和最终的施工方案，如果不满足设计要求，则修改施工方案后返回所述步骤S2并重复步骤S2至所述步骤S3。
进一步地，在所述步骤S32中，大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标X1(i)=X0(i)-S(i)。
进一步地，在所述步骤S33中，大跨度钢结构的位移差ΔU1(i) =U1(i)-U0(i)。
进一步地，在所述步骤S34中，大跨度钢结构的最终设计构型X(i)=X0(i)-S(i)。
进一步地，所述步骤S34中，修改施工方案的方式包括：
当大跨度钢结构的屋盖结构杆件不满足设计要求时，如果杆件下部具备搭设临时支撑的条件，则增设临时支撑；否则考虑预起拱；
当临时支撑不满足设计要求时，则增大截面。
应用本申请的技术方案，本申请的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法考虑具体拼装过程的“真实”结构，其对实际的施工过程进行真实的模拟，可以由最终的实际施工变形迭代计算并倒推出结构初始位形。也即是说，本申请中提出的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法可以精准计算施工变形误差引起的结构性能变化，弥补了现有技术只是考虑大跨度钢结构建造过程产生的变形量在一个允许范围及保证建造过程中结构的安全性，而并没有考虑施工过程产生的变形和内力如何影响最终建造完成的建筑结构承载力性能的空白。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本申请实施例公开的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到 ：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
大跨度钢结构施工规范对于某一个结构的施工方案完成之后，产生的变形和内力是唯一的，因此可以认为该结构此时的承载力性能是唯一的，所以由特定的设计方案、施工方案和施工工艺建成的结构是一个不同于设计图纸中的结构始终在自重荷载作用下的新结构，是一个应该包涵结构方案、施工方案和安装过程影响的存在重力作用变形和内力的结构。因此既然该结构是确定且唯一的，那么应该可以准确得到该结构的承载力。
具体地，参见图1所示，根据本发明的实施例，提供了一种基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，下称分析方法，该分析方法包括三个步骤，以下将对该分析方法的三个步骤进行详细说明。
步骤S1：根据设计要求建立大跨度钢结构的有限元模型。
建立大跨度钢结构的有限元模型之后，将该大跨度钢结构的有限元模型导入有限元分析软件中，建立直角坐标系，并以该大跨度钢结构的有限元模型的初始节点坐标设置为X0(i)，i为节点编号，其中，节点编号连续分布，最小值为1，最大值为n。可以理解的是，本实施例中所述的有限元分析软件例如可以是ansys软件等。
在步骤S1中，以某剧院屋盖施工模拟为例进行说明，根据设计要求建立剧院的大跨度钢结构的有限元模型，并将该大跨度钢结构的有限元模型导入有限元分析软件中，建立直角坐标系，其中X轴沿大跨度钢结构的宽度方向，Y轴沿大跨度钢结构的长度方向，Z轴沿大跨度钢结构的高度方向，该大跨度钢结构的有限元模型初始节点坐标为X0(i)，i为节点编号，节点编号连续分布，最小值为1，最大值为n。
步骤S2：根据某一施工方案中临时支撑的截面信息、位置信息以及边界信息，在有限元分析软件中建立临时支撑的有限元模型，同时根据施工流程定义结构组、边界组、荷载组，并进行模拟施工以得到大跨度钢结构的模拟模型。
其中，所述结构组为每一个施工流程新安装的杆件或新拆除的杆件；所述边界组为每一个施工流程新安装的杆件或新拆除的杆件所包含的边界信息，如底部约束情况、释放梁端约束情况；所述荷载组为每一个施工流程新增加的荷载或新消失的荷载。
在所述步骤S2中，根据所述施工流程定义结构组、边界组、荷载组之后还包括：定义施工阶段，激活每一个施工流程新增加的结构组、边界组和荷载组，钝化每一个施工流程新消失的结构组、边界组和荷载组。
步骤S3：利用有限元分析软件对大跨度钢结构的位移进行迭代计算，以输出最终的零态模型和最终的施工方案。
在该步骤中，首先执行步骤S31：在有限元分析软件后处理界面以表格形式输出大跨度钢结构的位移U0(i)，同时令大跨度钢结构的有限元模型坐标调整值S(i)=U0(i)；
接着执行步骤S32：将坐标调整值S(i)反向施加于大跨度钢结构的有限元模型的初始节点坐标X0(i)，此时大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标为X1(i)=X0(i)-S(i)，再次进行施工模拟分析，以表格形式输出大跨度钢结构的位移U1(i)；
然后执行步骤33：计算大跨度钢结构的位移差，将大跨度钢结构的位移差ΔU1(i)=U1(i)-U0(i)与事先给定的精度m进行比较，如果
Figure 884411DEST_PATH_IMAGE004
，则满足精度要求，修改大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标得到大跨度钢结构的最终设计构型X(i)=X0(i)-S(i)；如果/>
Figure 229942DEST_PATH_IMAGE005
，则不满足精度要求，令坐标调整值S(i)=U1(i)返回步骤S32，之后重复运行步骤S32和步骤S33直至满足精度要求为止，然后修改大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标得到大跨度钢结构的最终设计构型X(i)=X0(i)-S(i)，其中，/>
Figure 317984DEST_PATH_IMAGE003
为大跨度钢结构的模拟模型上的所有节点的位移差的平方之和；
步骤S34：对大跨度钢结构的最终设计构型按设计标准进行荷载组合承载力验算，如果满足设计要求，则输出最终的零态模型和最终的施工方案，如果不满足设计要求，则修改施工方案后返回步骤S2并重复步骤S2至步骤S3。
在步骤S34中，修改施工方案的方式包括：当大跨度钢结构的屋盖结构杆件不满足设计要求时，如果杆件下部具备搭设临时支撑的条件，则增设临时支撑；否则考虑预起拱；当临时支撑不满足设计要求时，则增大截面。
综上所述，本申请的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法综合考虑了结构设计方案、建造方案及施工过程对最终结构性能的影响因素，能精确反映建造方案及施工过程对最终结构性能的影响，该方法可以由最终成形结构的变形倒推出结构初始位形，其包含了安装过程经历了由局部小块单元或者构件拼装成整体结构的过程，且整个过程都处于自重荷载作用状态，这些是图纸结构没有考虑的。也即是说，本申请中提出的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法为逆分析法，该方法解决了建造过程对大跨度钢结构引起的变形和内力对结构的性能影响，弥补了现有技术中的空白。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：本申请的大跨度钢结构性能的分析方法经历了具体拼装过程的“真实”结构，而不同于设计图纸的“虚拟”结构，有很多因素影响到最终的安装变形，且整个过程都处于自重荷载作用状态，这些是理论计算没有办法实现，只能通过现场实测才能拿到实际结构最终安装变形。本申请中提出的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法可以精准计算施工变形误差引起的结构性能变化，弥补了现有技术只是考虑大跨度钢结构建造过程产生的变形量在一个允许范围及保证建造过程中结构的安全性，而并没有考虑施工过程产生的变形和内力如何影响最终建造完成的建筑结构承载力性能的空白。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位 ( 旋转 90 度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据设计要求建立大跨度钢结构的有限元模型；
步骤S2：根据某一施工方案中临时支撑的截面信息、位置信息以及边界信息，在有限元分析软件中建立临时支撑的有限元模型，同时根据施工流程定义结构组、边界组以及荷载组，并进行施工模拟计算；
步骤S3：利用有限元分析软件对大跨度钢结构的位移进行迭代计算，以输出最终的零态模型和最终的施工方案；所述步骤S3包括：
步骤31：在有限元分析软件后处理界面以表格形式输出大跨度钢结构的位移U0(i)，同时令大跨度钢结构的有限元模型坐标调整值S(i)＝U0(i)；
步骤32：将坐标调整值S(i)反向施加于大跨度钢结构的有限元模型的初始节点坐标X0(i)，并计算得到此时的大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标X1(i)再次进行施工模拟分析，以表格形式输出大跨度钢结构的位移U1(i)；
步骤33：计算大跨度钢结构的位移差，将大跨度钢结构的位移差ΔU1(i)与事先给定的精度m进行比较，如果
Figure QLYQS_1
则满足精度要求，修改大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标得到大跨度钢结构的最终设计构型X(i)＝X0(i)-S(i)；如果/>
Figure QLYQS_2
则不满足精度要求，令坐标调整值S(i)＝U1(i)返回所述步骤S32，之后重复运行所述步骤S32和所述步骤S33直至满足精度要求为止，然后修改大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标得到大跨度钢结构的最终设计构型X(i)，其中，/>
Figure QLYQS_3
为大跨度钢结构的模拟模型上的所有节点的位移差的平方之和；
步骤S34：对大跨度钢结构的最终设计构型按设计标准进行荷载组合承载力验算，如果满足设计要求，则输出最终的零态模型和最终的施工方案，如果不满足设计要求，则修改施工方案后返回所述步骤S2并重复步骤S2至所述步骤S3。
2.根据权利要求1所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述根据设计要求建立大跨度钢结构的有限元模型之后还包括：建立直角坐标系，并以该大跨度钢结构的有限元模型的初始节点坐标设置为X0(i)，i为节点编号，其中，节点编号连续分布，最小值为1，最大值为n。
3.根据权利要求2所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，所述直角坐标系的X轴沿大跨度钢结构的宽度方向，Y轴沿大跨度钢结构的长度方向，Z轴沿大跨度钢结构的高度方向。
4.根据权利要求1所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤S2中：
所述结构组为每一个施工流程新安装的杆件或新拆除的杆件；
所述边界组为每一个施工流程新安装的杆件或新拆除的杆件所包含的边界信息；
所述荷载组为每一个施工流程新增加的荷载或新消失的荷载。
5.根据权利要求1所述基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤S2中，根据所述施工流程定义结构组、边界组以及荷载组之后还包括：定义施工阶段，激活每一个施工流程新增加的所述结构组、所述边界组和所述荷载组，钝化每一个施工流程新消失的所述结构组、所述边界组和所述荷载组。
6.根据权利要求1所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤S32中，大跨度钢结构的有限元模型的节点坐标X1(i)＝X0(i)-S(i)。
7.根据权利要求6所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤S33中，大跨度钢结构的位移差ΔU1(i)＝U1(i)-U0(i)。
8.根据权利要求6所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤S34中，大跨度钢结构的最终设计构型X(i)＝X0(i)-S(i)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的基于结构性能的大跨度钢结构施工方案的迭代计算方法，其特征在于，所述步骤S34中，修改施工方案的方式包括：
当大跨度钢结构的屋盖结构杆件不满足设计要求时，如果杆件下部具备搭设临时支撑的条件，则增设临时支撑；否则考虑预起拱；
当临时支撑不满足设计要求时，则增大截面。
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