CN116738554A - 一种带支座的弧形月牙杆件优化方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及结构加固设计技术领域，特别涉及一种带支座的弧形月牙杆件优化方法及系统，包括：预先生成主体结构和建筑模型，提取建筑模型中的二次结构杆件，采用一体化建模重新生成弧形月牙杆件，通过结构优化算法设计所述弧形月牙杆件及其支座；其中，一体化建模包括：根据二次结构杆件的弧形中心线，完成弧形月牙杆件构建；结构优化算法包括：根据有限元计算结果调整弧线月牙杆件的壁厚，并对支座的连接方式进行优化。通过提取单根杆件并重新建模，基于有限元计算优化和调整杆件结构及支座连接方式，考虑了主体结构及支座变形带来的影响，并能对于变截面的薄弱位置做到精确计算，使得结构安全得到了保障，节约了大量的人力物力及材料成本。

Description

一种带支座的弧形月牙杆件优化方法及系统
技术领域
本发明涉及结构加固设计技术领域，特别设计一种带支座的弧形月牙杆件优化方法。
背景技术
大型建筑的空间杆件二次结构计算方法通常是提取单根杆件，采用对支座进行固接或铰接进行模拟约束；再对杆件施加荷载，验算杆件在不同荷载工况下的受力及变形情况是否满足其材性要求和变形要求；然后根据受荷情况提取支座反力施加到主结构上进行验算。这种方式对于造型较为复杂的空间杆件而言，没有考虑主体结构及支座变形带来的相关影响，是一种较为粗放的计算模式。
另外一种常用计算方式是连带主体结构一体化的建模计算，建模工作量巨大，杆件及节点数过多，对于计算运行的软件及主机性能要求均较高；且由于主体结构及二次结构的安全等级、荷载取值参数不一致，当二次结构复杂并且数量较多时，装饰构件的计算方式就会过于繁复，任意一个节点不收敛就无法运行；同时时间和人力成本投入过大，无法在有限时间内完成成百上千的不同形状的空间装饰杆件的计算与设计。
而对于异形杆件的建模计算通常是设置节点，节点间的连接采用变截面直线段拼接成接近弧形的杆件，计算中以形心位置的杆件单元属性计入，按照杆件单元计算，对于变截面的薄弱位置无法做到精确计算。
发明内容
本发明针对现有技术对于复杂空间杆件验算不精确、建模工作量大、投入成本大，同时难以实现对异形杆件变截面薄弱位置的精确计算等问题，提供一种带支座的弧形月牙杆件优化方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，包括：
预先生成建筑模型及主体结构，提取建筑模型中的二次结构杆件，采用一体化建模重新生成带支座的弧形月牙杆件，通过结构优化算法获取带支座的弧形月牙杆件的最优结构；
所述一体化建模包括：根据二次结构杆件的弧形中心线，构建弧形月牙杆件，并预设计支座，将所述预设计支座与所述弧形月牙杆件连接，生成带支座的弧形月牙杆件；
所述结构优化算法包括：根据有限元计算的结果调整带支座的弧线月牙杆件的壁厚，从而对弧形月牙杆件进行优化。
优选地，所述弧形中心线获取步骤如下：
分别求出二次结构杆件的两端截面与跨中截面的中心点，连接所述中心点得到中心线；
将所述中心线导入建模模型中，基于中心线绘制二次结构杆件的中心弧线段；
将所述中心弧线段光滑连接，得到弧形中心线。
优选地，所述弧形月牙杆件构建步骤如下：
根据弧形中心线生成弧形杆件；
将所述弧形杆件定义为箱型截面，并划分为有限元；
相邻有限元的连接采用变截面连接，得到弧形月牙杆件。
优选地，所述预设计支座按照有限元建模。
优选地，所述预设计支座与所述弧形月牙杆件的连接位置设置有约束。
优选地，所述有限元计算包括：
步骤1：对弧形月牙杆件施加各工况荷载，计算出支座反力；
步骤2：对主体结构施加各工况荷载与支座反力，获取主体结构的位移参数；
步骤3：将所述位移参数转换为外加荷载，并施加到所述预设计支座与所述弧形月牙杆件的连接位置；
步骤4：根据受到的荷载以及弧形月牙杆件的初始壁厚，计算出带支座的弧形月牙杆件的内力。
优选地，根据所述内力调整弧形月牙杆件的壁厚，并重复所述步骤1~4，直到获取允许值内的壁厚。
优选地，所述各工况荷载为各工况及其组合下的荷载，包括刚接约束、地震力荷载、风荷载以及温度，其中，风荷载根据风压修正荷载，修正公式为：
，
其中，z为高度，为高度z处的阵风系数，/>为风荷载局部体型系数，/>为风压高度变化系数，/>为基本风压，/>为风荷载值。
优选地，所述位移参数为主体计算模型中获取的所述预设计支座与所述弧形月牙杆件的连接位置的强制位移。
本发明的另一方面，还提供了以下技术方案：
一种带支座的弧形月牙杆件优化系统，实现如上述任一所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，包括：模型生成单元、一体化建模单元、结构优化单元，其中：模型生成单元根据建模信息生成主体结构、建筑模型及各工况荷载计算方法，一体化建模单元根据弧形中心线及定义完成的弧形杆件，得到弧形月牙杆件模型，结构优化单元通过对弧形月牙杆件模型施加各工况荷载，根据结果进行构件及节点优化设计。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法及系统，通过提取单根杆件并重新建模，基于有限元计算优化和调整杆件结构及支座连接方式，考虑了主体结构及支座变形带来的影响，同时由于单独对杆件进行建模，建模工作量小，杆件及节点数小，对于计算运行的软件及主机要求不高，并能对于变截面的薄弱位置做到精确计算，使得结构安全得到了保障，减小了实际施工样板、试验等环节，节约了大量的人力物力及材料成本。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的两端截面图；
图3为本发明的跨中截面图；
图4为本发明的建筑模型示意图；
图5为本发明的主体结构示意图；
图6为本发明的弧形月牙杆件模型示意图；
图7为本发明的模型加载图；
图8为本发明的地震力荷载图；
图9为本发明的各工况荷载组合包络图；
图10为本发明的模型应力结果图1；
图11为本发明的模型应力结果图2；
图12为本发明的模型应力结果图3；
图13为本发明的模型应力结果图4；
图14为本发明的单元计算结果图；
图15为本发明的各单元分析结果示意图；
图16为本发明的模型反力计算结果图1；
图17为本发明的模型反力弯矩计算结果图1；
图18为本发明的模型反力计算结果图2；
图19为本发明的模型反力弯矩计算结果图2；
图20为本发明的焊缝连接计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供了一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，如图1所示，为本发明的流程图，具体包括：
预先生成的建筑模型及主体结构，提取建筑模型中的二次结构杆件，采用一体化建模重新生成带支座的弧形月牙杆件，通过结构优化算法获取带支座的弧形月牙杆件的最优结构；
所述一体化建模包括：根据二次结构杆件的弧形中心线，完成弧形月牙杆件构建，并预设计支座，将所述预设计支座与所述弧形月牙杆件连接，生成带支座的弧形月牙杆件。
所述结构优化算法包括：根据有限元计算结果调整带支座的弧线月牙杆件的壁厚，对主体结构进行优化。
进一步地，所述弧形中心线获取包括：分别求出二次结构杆件的两端截面与跨中截面的中心点，如图2所示为所述两端截面，如图3所示为所述跨中截面，并连接所述中心点得到中心线；将中心线导入建模模型中，基于中心线绘制二次结构杆件的中心弧线段；将所述中心弧线段光滑连接，得到弧形中心线。
进一步地，所述弧形月牙杆件构建步骤如下：根据弧形中心线生成弧形杆件；将所述弧形杆件定义为箱型截面，并划分为有限元；相邻有限元的连接采用变截面连接，得到弧形月牙杆件。
进一步地，所述预设计支座按照有限元建模，并在与所述弧形月牙杆件的连接位置设置有约束。
具体地，所述有限元计算包括：
步骤1：对弧形月牙杆件施加各工况荷载，计算出支座反力；
步骤2：对主体结构施加各工况荷载与支座反力，获取主体结构的位移参数；
步骤3：将所述位移参数转换为外加荷载，并施加到所述连接位置；
步骤4：根据受到的荷载以及弧形月牙杆件的初始壁厚，计算出带支座的弧形月牙杆件的内力。
再根据所述内力调整弧形月牙杆件的壁厚，并重复所述步骤1~4，直到获取允许值内的壁厚。其中，所述位移参数为主体计算模型中获取的，所述连接位置的强制位移。
实施例2
本发明的另一方面，还提供了一种带支座的弧形月牙杆件优化系统，实现如上述任一所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，包括：模型生成单元、一体化建模单元、结构优化单元，其中：模型生成单元根据建模信息生成建筑模型、主体结构，及各工况荷载计算方法，一体化建模单元根据弧形中心线及定义完成的弧形杆件，得到弧形月牙杆件模型，结构优化单元通过对弧形月牙杆件模型施加各工况荷载，根据结果进行构件及节点优化设计。
进一步地，具体包括：从三维模型中选取不同角度情况下的二次结构空间杆件，通过采用多段杆件进行一体化建模，保证空间杆件的几何数据的准确性；通过将整根弧形杆件定义为变截面，并划分为有限元；对主体结构进行预加荷载计算，求出主体杆件位移和内力；将强制位移结合实测的变形参数和真实的约束条件对模型进行仿真模拟。通过在施工阶段、不同时间段的使用阶段，在地震力、风荷载、温度作用等各个工况及组合下、以及不同的安装环境计算出结构的变形和应力，为大型复杂造型的二次结构优化和安装改造以及连接工艺提供决策参数，确保复杂造型的二次结构及连接的安全与经济性。通过将杆件的支座反力施加在主体结构上，确保主体结构的计算准确。对于计算不满足的情况进行调整后，将能够满足计算需要的杆件单元接驳到建筑模型中，进行组装核对、以核验美学及建筑功能的适应性。本发明通过对真实模拟大型二次结构与主体结构的关联影响，做出精确设计，对于不满足的情况做出实时反馈、接驳到建筑模型中查看造型、体量等美学参数以及时做出调整。首先能够做到精细化设计，降低构件的材料用量；节省二次结构的建造成本；减少二次结构作为主体结构的外加荷载、减少主体结构吸收地震力的影响、减少主体结构的建造成本；减少全模型的建立、节约设计人力成本。其次，增加节点的精细化设计、增强节点的可靠性、方便施工操作，保证施工质量，提升建筑的安全可靠性。同时能减少大体积二次结构用量做到节能节材；减少建渣弃置、满足绿色建筑要求。
如图4所示，为本发明的模型生成单元根据建模信息生成的建筑模型，如图5所示，本发明的模型生成单元根据建模信息生成的主体结构，如图6所示，为本发明的一体化建模单元得到的弧形月牙杆件模型。
进一步地，基于结构优化单元对构件及节点进行优化设计，其中，图7示出了各角度风压的加载情况以及弧形月牙杆件各个变截面的大小，修正公式为：
，
其中，z为高度，为风荷载值(kN／m2)；/>为风压高度变化系数（地面粗糙度为B类）；/>为基本风压(kN／m2)，风荷载按照100年一遇取值0.35kN/m2；/>为高度z处的阵风系数，取值见下表；/>为风荷载局部体型系数。风压为1.3、风吸为2；具体取值如下表所示：
计算按44米及59米设置高度分别进行计算，整体计算采用MIDAS 2020软件；钢结构竖杆与连接件一起建模、整体模型进行计算，按垂直和竖直倾斜24度建模计算，最不利为竖直倾斜24度，支座固接。主要输入参数如图7所示。
图8为地震力输入的加载情况，图9为各工况荷载的组合加载情况，图10为地震标准组合的荷载情况下，弧形月牙杆件模型的变形结果，其最大应力为35MPa；图11为非地震标准组合的荷载情况下，弧形月牙杆件模型的变形结果，其最大应力为55MPa；图12为地震基本组合的荷载情况下，弧形月牙杆件模型的变形结果，其最大应力为149MPa；图13为非地震基本组合的荷载情况下，弧形月牙杆件模型的变形结果，其最大应力为226MPa。由分析可知，本实施例中，非地震基本组合，最大应力为226MPa，出现在支座位置，支座位置采用Q355B材料，小于材料允许值。最大应力比为0.84。图14为弧形月牙杆件模型各单元的计算结果，其最大应力比为0.84；图15为各单元分析结果表示意图，示出了弧形月牙杆件模型中各单元的应力比。图16为弧形月牙杆件模型在非地震基本组合的荷载情况下，支座反力的计算结果；图17为弧形月牙杆件模型在非地震基本组合的荷载情况下，支座反力弯矩的计算结果；图18为弧形月牙杆件模型在地震基本组合的荷载情况下，支座反力的计算结果；图19为弧形月牙杆件模型在非地震基本组合的荷载情况下，支座反力弯矩的计算结果。
基于以上结果，对弧形月牙杆件模型与支座的焊接连接节点进行计算，首先预设置参数，包括：
钢材等级：Q345；节点类型：T、Y形节点；主管截面：空心圆管截面，D*T=350*16；支管1截面：空心圆管截面，D*T=159*10；支管1轴线与主管轴线夹角θ(度)：90.000；主管左端轴力(kN)：20.000；主管右端轴力(kN)：20.000；支管1轴力(kN)：0.000；主管左端弯矩(kN.m)：12.000；主管右端弯矩(kN.m)：12.000；支管1平面内弯矩(kN.m)：11.000；支管1平面外弯矩(kN.m)：22.000。以上均按照《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）进行设计。
进一步地，其中，截面特性包括：主管截面：A=1.6789e-002；ix=1.1822e-001；iy=1.1822e-001；支管1截面：A=4.6810e-003；ix=5.2798e-002；iy=5.2798e-002；进一步地，验证尺寸参数：支管外径与主管外径之比βi：支管1：0.200≤βi=0.454≤1.000，主管径厚比d/t：21.875≤100.000，支管径厚比di/ti：支管1：15.900≤60.000，支管壁厚与主管壁厚之比τi：支管1：0.200≤τi=0.625≤1.000，支管轴线与主管轴线的夹角θi：支管1：90.000≥30.000，尺寸参数满足规范公式适用范围。进行承载力验算，其中，支管1受拉：参数β:0.454，参数ψn:1.000，参数ψd:0.491，主管强度设计值f(N/mm2):305.000，管节点处受压支管的承载力设计值NcT(kN):818.683，管节点处受拉支管的承载力设计值NtT(kN):1146.156，支管1所受拉力(kN):Nt=0.000≤NtT=1146.156；
支管1承受面内弯矩：参数β:0.454，参数γ:10.938，参数Qi:7.556，参数Qf:1.000，主管强度设计值f(N/mm2):305.000，主管抗剪强度设计值fv(N/mm2):175.000，管节点处支管的平面内受弯承载力设计值Mti(kN.m):93.806，支管1所受平面内弯矩(kN.m):Mi=11.000≤Mti=93.806，当di≤d-2t时，抗冲剪承载力设计值Msti(kN.m):70.787，支管1所受平面内弯矩(kN.m):Mi=11.000≤Mti=70.787；
支管1承受面外弯矩：参数Qo:4.096，管节点处支管的平面外受弯承载力设计值Mot(kN.m):50.850，支管1所受平面外弯矩(kN.m):Mo=22.000≤Mot=50.850，当di≤d-2t时，抗冲剪承载力设计值Msot(kN.m):70.787，支管1所受平面外弯矩(kN.m):Mo=22.000≤Mot=70.787，支管在平面内、外弯矩和轴力组合作用下的承载力验算：N/Nj+Mi/Mti+Mo/Mot=0.550≤1；节点轴向承载力(kN)：支管1：1146.156。
验算完成后，设计焊接方式，支管与主管连接采用角焊缝，正面角焊缝强度设计值增大系数βf:1.0,支管1与主管连接焊缝:角焊缝强度设计值：ffw(N/mm2):200.000，支管1与主管连接焊缝长度Lw1(mm):498，支管1与主管连接焊脚尺寸hf1(mm):17，支管1连接焊缝承载力(kN):1184.859，平面内弯矩作用下，支管1连接焊缝承载力(kN):275.092，平面外弯矩作用下，支管1连接焊缝承载力(kN):323.384，节点验算满足。如图20所示，为抱箍焊缝连接焊缝计算示意图，输入所需参数，满足要求但接近临界值，倾角较大的斜杆120*100*8杆件与连接部位应设置加劲肋。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，包括：
预先生成建筑模型及主体结构，提取建筑模型中的二次结构杆件，采用一体化建模重新生成带支座的弧形月牙杆件，通过结构优化算法获取带支座的弧形月牙杆件的最优结构；
所述一体化建模包括：根据二次结构杆件的弧形中心线，构建弧形月牙杆件，并预设计支座，将所述预设计支座与所述弧形月牙杆件连接，生成带支座的弧形月牙杆件；
所述结构优化算法包括：根据有限元计算的结果调整带支座的弧线月牙杆件的壁厚，从而对弧形月牙杆件进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述弧形中心线获取步骤如下：
分别求出二次结构杆件的两端截面与跨中截面的中心点，连接所述中心点得到中心线；
将所述中心线导入建模模型中，基于中心线绘制二次结构杆件的中心弧线段；
将所述中心弧线段光滑连接，得到弧形中心线。
3.根据权利要求1所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述弧形月牙杆件构建步骤如下：
根据弧形中心线生成弧形杆件；
将所述弧形杆件定义为箱型截面，并划分为有限元；
相邻有限元的连接采用变截面连接，得到弧形月牙杆件。
4.根据权利要求1所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述预设计支座按照有限元建模。
5.根据权利要求1所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述预设计支座与所述弧形月牙杆件的连接位置设置有约束。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述有限元计算包括：
步骤1：对弧形月牙杆件施加各工况荷载，计算出支座反力；
步骤2：对主体结构施加各工况荷载与支座反力，获取主体结构的位移参数；
步骤3：将所述位移参数转换为外加荷载，并施加到所述预设计支座与所述弧形月牙杆件的连接位置；
步骤4：根据受到的荷载以及弧形月牙杆件的初始壁厚，计算出带支座的弧形月牙杆件的内力。
7.根据权利要求6所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，根据所述内力调整弧形月牙杆件的壁厚，并重复所述步骤1~4，直到获取允许值内的壁厚。
8.根据权利要求6所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述各工况荷载为各工况及其组合下的荷载，包括刚接约束、地震力荷载、风荷载以及温度，其中，风荷载根据风压修正荷载，修正公式为：
，
其中，z为高度，为高度z处的阵风系数，/>为风荷载局部体型系数，/>为风压高度变化系数，/>为基本风压，/>为风荷载值。
9.根据权利要求6所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，其特征在于，所述位移参数为主体计算模型中获取的所述预设计支座与所述弧形月牙杆件的连接位置的强制位移。
10.一种带支座的弧形月牙杆件优化系统，其特征在于，实现如权利要求1-9中任一所述的一种带支座的弧形月牙杆件优化方法，包括：模型生成单元、一体化建模单元、结构优化单元，其中：模型生成单元根据建模信息生成主体结构、建筑模型及各工况荷载计算方法，一体化建模单元根据弧形中心线及定义完成的弧形杆件，得到弧形月牙杆件模型，结构优化单元通过对弧形月牙杆件模型施加各工况荷载，根据结果进行构件及节点优化设计。
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