WO2013149591A1 - 一种基于承载全过程分析设计索穹顶结构的方法 - Google Patents

一种基于承载全过程分析设计索穹顶结构的方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2013149591A1
WO2013149591A1 PCT/CN2013/073731 CN2013073731W WO2013149591A1 WO 2013149591 A1 WO2013149591 A1 WO 2013149591A1 CN 2013073731 W CN2013073731 W CN 2013073731W WO 2013149591 A1 WO2013149591 A1 WO 2013149591A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coefficient
cable
load
deformation
cable dome
Prior art date
Application number
PCT/CN2013/073731
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
葛家琪
张国军
马伯涛
刘鑫刚
王树
Original Assignee
中国航空规划建设发展有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 中国航空规划建设发展有限公司 filed Critical 中国航空规划建设发展有限公司
Publication of WO2013149591A1 publication Critical patent/WO2013149591A1/zh
Priority to US14/500,185 priority Critical patent/US20150081256A1/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04B—GENERAL BUILDING CONSTRUCTIONS; WALLS, e.g. PARTITIONS; ROOFS; FLOORS; CEILINGS; INSULATION OR OTHER PROTECTION OF BUILDINGS
    • E04B7/00—Roofs; Roof construction with regard to insulation
    • E04B7/14—Suspended roofs

Definitions

  • This invention relates to the field of prestressed steel structures and, more particularly, to a method of designing a cable dome structure. Background technique
  • the cable dome structure integrates new materials, new technologies and new processes. It has reasonable force characteristics and high structural efficiency. It is one of the modern structural systems that can reflect the advanced materials, design and construction technology level of contemporary architecture.
  • the cable dome main structure is composed of, for example, four parts: a continuous tension cable net composed of a notochord 2, a diagonal cable 4, a loop cable 3, a pressure strut 5, a central tension ring 6, and a peripheral pressure. Ring truss (not shown).
  • 1 represents the control point.
  • the cable dome structure may also include a cable-membrane substructure (not shown) including a membrane tensioned over the notochord and a valley disposed between the radial chord.
  • the application of prestressing causes the cables in the continuous tension cable net of the cable dome to be tensioned and can withstand the designed load. Therefore, the continuous tension cable net is the main bearing member of the cable dome structure, which realizes the "continuous tension ocean”.
  • the design of the cable dome structure in the prior art is limited to the elastic phase design, mainly including the elastic bearing capacity design of the component and the small deformation capability design of the system, but the design process still has blindness in determining the design index of the cable dome structure.
  • One of the objects of the present invention is to provide a method for determining a design of a cable dome structure based on the entire process of carrying a load.
  • the whole process of bearing refers to the whole process from the structure to the initial stress state of the cable body and the initial prestressing state of the cable body, and the load is increased from the structure to the structural damage.
  • the invention is based on the three-stage load-mechanical response characteristics of the "rope relaxation-loop cable yield-structural failure" in the whole process of cable top bearing, and obtains the elastic bearing capacity coefficient, the system stable bearing capacity coefficient and the system deformation.
  • the capacity factor provides a scientific basis and method for determining the design parameters of the cable dome structure.
  • ropod relaxation refers to the notochord The case where the tensile stress is OMpa occurs;
  • ring cable yielding refers to the case where the stress of the high-strength steel strand, such as a high-strength steel strand, has a stress exceeding 0.8 times the yield stress (it is necessary to point out that even if it is not obvious For the yield point, the nominal yield point can also be calculated.
  • the invention provides a cable dome structure design method, the cable dome has a notochord and a loop cable, and the method comprises the following steps: applying a load to the cable dome in a computer simulation or a model test, so that the cable dome It is subjected to the whole process of carrying the three stages including the relaxation of the notochord, the yield of the cable, and the structural failure.
  • the method comprises the following steps:
  • the method comprises the following steps:
  • the foregoing method further includes:
  • the system elastic load capacity coefficient K can be obtained based on the relationship between the system load coefficient and the notochord stress
  • the system yield load coefficient and the system yield deformation coefficient can be obtained based on the relationship between the system load coefficient and the cable stress;
  • the damage load coefficient of the cable dome system and the ultimate deformation coefficient D u of the system can be obtained based on the relationship between the system load coefficient and the deformation ability of the system.
  • the whole process analysis of the cable dome structure is realized by computer simulation analysis, and: According to the test result obtained in the step (6), the material model of the cable dome structure is set as a nonlinear property; 6) The test results obtained in the calculation model consider the prestress loss of the cable and the constraint stiffness of the cable clamp node, and consider the geometric nonlinearity of the cable dome structure in the calculation process; the analysis is carried out in ANSYS software, using nonlinear Iterative method is solved.
  • the solution process matrix equation of the nonlinear iterative method can be:
  • ⁇ /, ⁇ is the displacement increment of the i-th iteration.
  • the system elastic load capacity coefficient K, the system stability bearing capacity coefficient and the system deformation capacity coefficient are simultaneously controlled.
  • the load is increased to the top of the cable dome structure until a K-fold design load is applied to the top of the cable dome.
  • the stability bearing capacity, the system deformation ability and the cable force (for example, the notochord, the sling and the slanting rope) of the three stages of the notochord relaxation, the cable yield and the structural failure are analyzed in the design process.
  • the relationship between the parameters of stress and other parameters, that is, the three-stage load-mechanical response of the "ropod relaxation-ring cable yield-structural failure" in the whole process of cable-stayed structure is analyzed, so that not only the basic requirements of the safety design of the cable dome structure are considered.
  • a safety margin can be provided in addition to the safety design standard.
  • a method for determining the three-control index coefficient based on the whole process of the bearing is proposed for the safety design of the cable dome structure system.
  • FIG. 1 is a schematic structural view showing a structure of a cable dome roof in the prior art
  • FIG. 2 is a flow chart of a method for determining a cable dome design index based on a whole process of carrying a process according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a nonlinear iterative process of load-mechanical response of a structure carrying a whole process according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the abscissa U represents displacement, the ordinate F represents restoring force, and the lower corner 1 represents the iterative process first. ⁇ , for the target load;
  • FIG. 4 is a graph showing a relationship between a system load coefficient P and a notochord stress ⁇ according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the abscissa axis ⁇ represents the notochord stress; the ordinate system load coefficient
  • ⁇ is the ratio of the load of the cable dome system to the external load, gp : the multiple of the load applied to the structure during the whole process analysis;
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a system load coefficient P and a deformation coefficient D according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the abscissa deformation coefficient D is a ratio of the vertical deformation of the cable dome system to the span, and the curve of FIG. 5 is named PD.
  • the curve ⁇ " respectively represents the system failure load coefficient of the PD curve and the system ultimate deformation coefficient;
  • P respectively represent the yield coefficient of the cable dome system and the yield deformation coefficient of the system;
  • P ⁇ , D 1/40 respectively correspond to the deformation equal to 1 System load factor and system deformation coefficient at /40 span;
  • curve a represents the inner notochord stress obtained by the double nonlinear analysis
  • curve b represents the middle notochord stress obtained by the double nonlinear analysis
  • curve c represents the external notochord obtained by double nonlinear analysis Stress
  • curve a represents a middle loop stress obtained by a double nonlinear analysis
  • curve b represents an outer loop obtained by a double nonlinear analysis. Cable stress
  • a curve a represents a [/X-direction displacement of a control point obtained by a double nonlinear analysis
  • a curve b represents a double nonlinear analysis obtained according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the Uy direction of the control point is shifted, and the curve c represents the displacement of the control point obtained by the double nonlinear analysis.
  • the invention provides a cable dome structure design method, the cable dome has a notochord and a loop cable, and the method comprises the following steps: applying a load to the cable dome in a computer simulation or a model test, so that the cable dome It is subjected to the whole process of carrying the three stages including the relaxation of the notochord, the yield of the cable, and the structural failure.
  • the present invention analyzes the system load coefficient, system deformation coefficient and cable force of the three stages of notochord relaxation, ring cable yield and structural failure during the design process (for example, notochord, ring and oblique)
  • the relationship between the parameters such as the stress in the cable, so that not only the basic requirements of the safety design of the cable dome structure, but also the safety margin can be provided in addition to the safety design standards.
  • the design method of the cable dome structure based on the whole process of the bearing will be described below with reference to Figs.
  • the method includes the following steps:
  • the elastic load capacity coefficient K of the system is obtained.
  • 4 is a graph showing a relationship between a system load coefficient ⁇ and a notochord stress ⁇ according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the abscissa axis ⁇ represents the notochord stress; the ordinate system load coefficient ⁇ is the ratio of the cable dome system load to the external load.
  • BP Loads the multiple of the load applied to the structure during the full process analysis.
  • the inflection point of the curve is defined as the elastic bearing capacity coefficient K of the cable dome system.
  • the system yield load coefficient ⁇ and the system yield deformation coefficient are obtained. For example, FIG.
  • FIG. 5 is a graph showing a relationship between a system load coefficient P and a deformation coefficient D according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the abscissa deformation coefficient D is a ratio of a vertical deformation of a cable dome system to a span, and FIG. 5 is a curve name. It is the PD curve; it represents the system failure load coefficient and the system ultimate deformation coefficient of the curve; P ;, respectively, the system yield load coefficient and the system yield deformation coefficient; P ⁇ respectively represents the system load coefficient corresponding to the deformation equal to 1/40 span. And system deformation coefficient. It can be seen from the inherent characteristics of the cable dome that the ring cable 3 has a nominal yield point, that is, the inflection point in Fig. 5, which is defined as the system yield load coefficient and the system yield deformation coefficient.
  • the failure load coefficient of the cable dome system and the ultimate deformation coefficient of the system are calculated as 3 ⁇ 4.
  • the damage load coefficient ⁇ and the system limit deformation coefficient D u can be obtained from the cable dome system .
  • the system's stable bearing capacity coefficient, system deformation capacity coefficient and system elastic bearing capacity coefficient K can be used as three indicators for designing the cable dome structure.
  • the above method may further comprise the steps of:
  • the system elastic load capacity coefficient ⁇ is obtained based on the relationship between the system load coefficient and the notochord stress ;
  • the damage load coefficient P u and the system limit deformation coefficient D u of the cable dome system are obtained based on the relationship between the system load coefficient and the system deformation capability.
  • the whole process analysis of the cable dome structure is realized by computer simulation analysis, and: According to the test result obtained in the step (6), the material model of the cable dome structure is set as a nonlinear property; 6) The test results obtained in the calculation model consider the prestress loss of the cable and the constraint stiffness of the cable clamp node, and consider the geometric nonlinearity of the cable dome structure in the calculation process; the analysis is carried out in ANSYS software, using nonlinear Iterative method is solved.
  • the solution process matrix equation of the nonlinear iterative method can be:
  • Load vector is the vector of the nth load ⁇ , the third iteration ⁇ restoring force
  • ⁇ /, ⁇ is the displacement increment of the i-th iteration.
  • the elastic load capacity coefficient K, the system stability bearing capacity coefficient and the system deformation capacity coefficient of the system are simultaneously controlled.
  • the load is increased one by one to the cable dome structure until a K times design load is applied to the top of the cable.
  • Figure 1 shows the structure of the cable dome roof.
  • the periphery of the roof can be radially arranged with a long-span steel tubular truss structure (not shown).
  • the center of the roof is a 71.2m ribbed cable dome structure with a height of 5.5m and a height of 20m.
  • the mechanical tests were carried out on the connection points of the cable and the cable clamp, and the parameters such as the friction coefficient and the constraint stiffness of the joint were obtained. The loss of 3% was considered in the calculation.
  • the whole process analysis of the cable dome structure is carried out.
  • the structural material model is set as a nonlinear property; and the geometric nonlinearity and the node prestress loss of the structural system are considered in the calculation process.
  • the analysis was performed in ANSYS software using a nonlinear iterative method.
  • Figure 6 is obtained by carrying out the whole process calculation by step (2).
  • the notochord is divided into an inner chord, a middle chord, and an external chord by a compression strut.
  • Figure 6 shows the load factor-chord stress curves for these notochs.
  • Figure 7 and Figure 8 are obtained by carrying out the whole process calculation by step (2).
  • SP Calculate the yield load coefficient and system yield deformation coefficient of the cable dome system based on the cable yielding condition.
  • the strength safety factor of the cable dome system is not more than 1.5 and not less than 1.2, and the engineering case is taken as 1.5; the system deformation ductility safety factor ⁇ is not more than 1.8 and not less than 1.2, and the engineering case is 1.8;
  • the allowable value of the coefficient] ranges from 1/30 to 1/50, and the case of this project is taken as 1/40; corresponds to the load factor of the allowable value [D] of the system deformation coefficient? [13] is 6.6. According to the indicators obtained in the above steps, the system's stable bearing capacity coefficient and system deformation capacity coefficient A can be obtained:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)

Abstract

一种基于索穹顶承载全过程分析设计索穹顶结构的方法，该索穹顶承载全过程包括脊索松弛、环索屈服和结构破坏三个阶段。该方法包括以下步骤：（1）以脊索松弛为判别条件，求得体系弹性承载能力系数K；（2）以环索屈服为判别条件，求得体系屈服荷载系数P* y 和体系屈服变形系数D* y ；（3）以结构破坏为判别条件，求得索穹顶体系破坏荷载系数P u 和体系极限变形系数D u ；（4）获得体系强度安全系数λ P 、体系变形延性安全系数λ D 、体系变形系数允许值[D]以及对应于体系变形系数允许值[D]的荷载系数P [ D ]；（5）由公式P λ=min{P* y，P u/λP，P [D]}计算索穹顶的体系稳定承载力系数P λ ，以及由公式D λ=min{D* y ，D u/λD，[D]}计算索穹顶的体系变形能力系数Dλ。

Description

一种基于承载全过程分析设计索穹顶结构的方法 技术领域
本发明涉及预应力钢结构领域， 更详细的说， 涉及一种设计索穹顶 结构的方法。 背景技术
索穹顶结构集新材料、 新技术和新工艺于一体， 具有合理的受力特 性和较高的结构效率， 是较能体现当代建筑先进材料、 设计和施工技术 水平的现代化结构体系之一。
如图 1 中所示， 索穹顶主体结构例如由四个部分构成： 由脊索 2、 斜索 4、 环索 3组成的连续张力索网， 受压撑杆 5， 中央拉力环 6， 周边 受压环桁架 （未示出） 。 在图 1 中， 1 表示控制点。 索穹顶结构还可包 括索膜次结构 （未示出） ， 所述索膜次结构包括由张紧于脊索之上的膜 和设置在径向脊索之间的谷索。 预应力的施加使索穹顶的连续张力索网 中的索均张紧， 并能承受设计的使用荷载， 所以连续张力索网是索穹顶 结构的主要承力构件， 它实现了 "连续张力海洋" 的结构力学先进理念。
现有技术中的索穹顶结构设计仅限于弹性阶段设计， 主要包括构件 弹性承载力设计、 体系小变形能力设计， 但是设计过程对索穹顶结构的 设计指标的确定仍然存在盲目性。 发明内容
本发明的目的之一为提供一种基于承载全过程的索穹顶结构设计指 标确定方法。 承载全过程指从结构仅承受自重及索体初始预应力状态开 始， 对结构逐歩增加荷载至结构破坏的全过程。
具体而言， 本发明以索穹顶承载全过程中的 "脊索松弛-环索屈服- 结构破坏"三阶段荷载-力学响应特征为依据， 得到体系弹性承载能力系 数、 体系稳定承载力系数和体系变形能力系数， 为索穹顶结构设计指标 的确定提供了科学的依据和方法。 需要指出的是， "脊索松弛"指脊索 出现拉应力为 OMpa的情况； "环索屈服"指对于没有明显的屈服点的例 如高强钢绞线的环索而言， 其应力超过 0.8倍屈服应力的情况 （需要指出 的是， 即使没有明显屈服点， 也可以计算得出名义屈服点） ， 对于存在 明显的屈服点的环索而言， 对应于例如图 7中的例如 =6.5的拐点。
本发明提出了一种索穹顶结构设计方法， 所述索穹顶具有脊索、 环 索， 所述方法包括如下歩骤： 在计算机仿真或者模型试验中向索穹顶逐 歩施加荷载， 使得所述索穹顶经受包括脊索松弛、 环索屈服、 结构破坏 这三个阶段的承载全过程。
根据本发明的一个方面， 所述方法包括以下歩骤：
(1) 以脊索松弛为判别条件， 求得体系弹性承载能力系数 K;
(2) 以环索屈服为判别条件， 求得体系屈服荷载系数 和体系屈服 变形系数 ；
(3) 以结构破坏为判别条件， 求得索穹顶体系破坏荷载系数 ^和 体系极限变形系数
(4) 获得体系强度安全系数 4、 体系变形延性安全系数^、 体系 变形系数允许值 [D] 以及对应于体系变形系数允许值 [D]的荷载系数 P[D];
(5) 由公式 = mm ^ ,Ρ„/^,Ρ[β] }计算索穹顶的体系稳定承载 力系数 ， 以及由公式 ^minj ;, /^,[/)]}计算索穹顶的体系变形能力 系数 。
根据本发明的另一个方面， 所述方法包括如下歩骤：
(1) 以脊索松弛为判别条件， 求得体系弹性承载能力系数 K;
(3) 以结构破坏为判别条件， 求得索穹顶体系破坏荷载系数 ^和 体系极限变形系数
(4) 获得体系强度安全系数 、 体系变形延性安全系数^、 体系 变形系数允许值 [D] 以及对应于体系变形系数允许值 [D]的荷载系数 P[D];
(5) 由公式
Figure imgf000004_0001
计算索穹顶的体系稳定承载力系数 ^， 以及由公式 A = mm{Du /λΒ， 计算索穹顶的体系变形能力系数 。 可选地， 上述方法还包括歩骤：
( 6 ) 在试验室内对索进行材料力学试验， 得到弹性模量、 屈服强度、 极限强度、 线膨胀系数参数； 在试验室内对索及索夹连接节点进行力学 试验， 得到连接节点摩擦系数及其约束刚度参数；
( 7 ) 通过计算机仿真或模型试验得出承载全过程中体系稳定承载力 与索力之间的变化关系， 体系稳定承载力与体系变形能力之间的变化关 其中：
在所述歩骤 （1 ) 中， 可以基于体系荷载系数与脊索应力之间的变化 关系求得体系弹性承载能力系数 K;
可选地， 在歩骤 （2 ) 中， 可以基于体系荷载系数与环索应力之间的 变化关系求得体系屈服荷载系数 和体系屈服变形系数 ；
在所述歩骤 （3 ) 中， 可以基于体系荷载系数与体系变形能力之间的 变化关系求得索穹顶体系破坏荷载系数 ^和体系极限变形系数 Du。
进一歩的， 索穹顶结构承载全过程分析通过计算机仿真分析实现， 且其中： 依据歩骤 （6 ) 中获得的试验结果， 将索穹顶结构的材料模型设 定为非线性属性； 依据歩骤 （6 ) 中获得的试验结果， 在计算模型中考虑 索的预应力损失及索夹节点约束刚度影响， 并在计算过程中考虑索穹顶 结构体系几何非线性； 分析在 ANSYS软件中进行， 采用非线性迭代方法 求解。 所述非线性迭代方法的求解过程矩阵方程可为：
[Ki {Aui} = {F:} -{Fn }
个荷载歩、 第 1迭代歩切向刚度矩阵；
Figure imgf000005_0001
n个荷载歩的荷载向量； 为第 n个荷载歩、 第丄迭代歩恢复力的向量；
{ΔΙ/,·}为第 i迭代歩的位移增量。
有利的， 在以上方法中， 在设计索穹顶结构的过程中， 同时控制体 系弹性承载能力系数 K、 体系稳定承载力系数 和体系变形能力系数 。
有利的， 在以上方法的所述歩骤 （1 ) 中， 逐歩增加荷载到索穹顶结 构上， 直至施加 K倍的设计荷载到索穹顶上。 利用本发明的技术方案， 因为在设计过程中就分析了脊索松弛、 环 索屈服以及结构破坏这三个阶段的体系稳定承载力、 体系变形能力与索 力 （例如， 脊索、 环索和斜索中的应力） 等参数变化关系， 即分析了索 穹顶结构承载全过程中 "脊索松弛-环索屈服 -结构破坏"三阶段荷载-力 学响应为特征， 从而不仅考虑索穹顶结构的安全设计基本要求， 而且可 考虑到为安全设计标准之外可提供安全余量， 还对应的提出了为索穹顶 结构体系安全设计提出基于承载全过程的三控指标系数的确定方法。 附图说明
为了使本发明的目的、 特征及优点能更加明显易懂， 下面结合附图 和具体实施例对本发明作进一歩说明， 其中：
图 1为现有技术中的索穹顶屋盖结构构成的结构示意图；
图 2为根据本发明的一个示例性实施例的基于承载全过程的索穹顶结 构设计指标的确定方法的流程图；
图 3 为根据本发明的一个示例性实施例的结构承载全过程荷载 -力学 响应非线性迭代过程示意图， 其中， 横坐标 U表示位移， 纵坐标 F表示 恢复力， 下角标 1表示迭代过程第 1歩， 为目标荷载；
图 4为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷载系数 P与脊索应 力 σ关系曲线， 其中， 横坐标轴 σ表示脊索应力； 纵坐标体系荷载系数
Ρ 为索穹顶体系荷载与外荷载的比值， gp : 承载全过程分析中施加到结 构中的荷载倍数；
图 5 为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷载系数 P和变形系 数 D的关系曲线， 其中， 横坐标变形系数 D为索穹顶体系竖向变形与跨 度的比值， 图 5 曲线命名为 P-D曲线 Ρ"、 分别表示 P-D 曲线的体系 破坏荷载系数和体系极限变形系数； P;、 分别表示索穹顶体系屈服荷 载系数和体系屈服变形系数； P譲、 D1/40分别表示对应于变形等于 1/40 跨度时的体系荷载系数和体系变形系数；
图 6 为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷载系数 -脊索应力曲 线， 其中， 曲线 a表示双非线性分析求得的内脊索应力， 曲线 b表示双 非线性分析求得的中脊索应力， 曲线 c 表示双非线性分析求得的外脊索 应力；
图 7 为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷载系数 -环索应力曲 线， 其中， 曲线 a表示双非线性分析求得的中环索应力， 曲线 b表示双 非线性分析求得的外环索应力； 以及
图 8 为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷载系数 -位移曲线， 其中， 曲线 a表示双非线性分析求得的控制点的 [/X向位移， 曲线 b表示 双非线性分析求得的控制点的 Uy向位移， 曲线 c表示双非线性分析求得 的控制点的 向位移。 具体实施方式
下面详细描述本发明的实例性的实施例， 实施例的示例在附图中示 出， 其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。 下面参考附图描述 的实施例是示例性的， 旨在解释本发明， 而不能解释为对本发明的限制。
本发明提出了一种索穹顶结构设计方法， 所述索穹顶具有脊索、 环 索， 所述方法包括如下歩骤： 在计算机仿真或者模型试验中向索穹顶逐 歩施加荷载， 使得所述索穹顶经受包括脊索松弛、 环索屈服、 结构破坏 这三个阶段的承载全过程。
与以往的索穹顶设计不同， 本发明在设计过程中就分析了脊索松弛、 环索屈服以及结构破坏这三个阶段的体系荷载系数、 体系变形系数与索 力 （例如， 脊索、 环索和斜索中的应力） 等参数变化关系， 从而不仅考 虑索穹顶结构的安全设计基本要求， 而且可考虑到为安全设计标准之外 可提供安全余量。
以下结合附图 1-8说明基于承载全过程的索穹顶结构设计方法。 所述 方法包括如下歩骤：
( 1 ) 以脊索 2松弛为判别条件， 求得体系弹性承载能力系数 K。 图 4 为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷载系数 Ρ 与脊索应力 σ关 系曲线， 其中， 横坐标轴 σ表示脊索应力； 纵坐标体系荷载系数 Ρ为索 穹顶体系荷载与外荷载的比值， BP : 承载全过程分析中施加到结构中的 荷载倍数。 曲线拐点可以看出， 拐点出现前， 索穹顶近似处于弹性工作 承载， 拐点的出现索穹顶受力性质发生重大变化， 内力重新分布， 因此， 将此拐点定义为索穹顶体系弹性承载能力系数 K， 作为设计指标提出。 (2) 以环索 3屈服为判别条件， 求得体系屈服荷载系数 ^和体系屈 服变形系数 。 例如， 图 5 为根据本发明的一个示例性实施例的体系荷 载系数 P和变形系数 D的关系曲线， 其中， 横坐标变形系数 D为索穹顶 体系竖向变形与跨度的比值， 图 5 曲线命名为 P-D 曲线； 分别表 示 曲线的体系破坏荷载系数和体系极限变形系数； P；、 分别表示 体系屈服荷载系数和体系屈服变形系数； P ^分别表示对应于变 形等于 1/40 跨度时的体系荷载系数和体系变形系数。 由索穹顶的固有特 性可见， 环索 3 存在名义屈服点， 即图 5 中拐点， 将其定义为体系屈服 荷载系数 和体系屈服变形系数 。
(3) 以结构破坏为判别条件， 求得索穹顶体系破坏荷载系数 ^和 体系极限变形系数 ¾。 例如， 由图 5 中的曲线可以得到由索穹顶体系破 坏荷载系数 ^和体系极限变形系数 Du
(4) 获得体系强度安全系数 4、 体系变形延性安全系数^、 体系 变形系数允许值 [D] 以及对应于体系变形系数允许值 [D]的荷载系数 P[D];
(5) 由公式 = mm ^ ,Ρ„/^,Ρ[β] }计算索穹顶的体系稳定承载 力系数 ， 以及由公式 ^minj ;, /^,[/)]}计算索穹顶的体系变形能力 系数 。 可选的， 在环索没有屈服点 （或者得不到屈服点） 的情况下， 以上 的歩骤 （ 2 ) 可以省略， 相应地， 在歩骤 （ 5 ) 中， 由公式
Figure imgf000008_0001
计算索穹顶的体系稳定承载力系数 ， 以及由公式 Όλ =1^{ /^,[/)]}计算索穹顶的体系变形能力系数 。 体系稳定承载力系数 、 体系变形能力系数 以及体系弹性承载能 力系数 K可以作为设计索穹顶结构的三个指标。
有利的， 以上方法还可包括歩骤：
(6) 在试验室内对索进行材料力学试验， 得到弹性模量 （ )、 屈 服强度 fy)、 极限强度 )、 线膨胀系数 ( a) ; 在试验室内对索及索夹 连接节点进行力学试验， 得到连接节点摩擦系数 ( t 及其约束刚度 ) ;
( 7 ) 通过计算机仿真或模型试验得出承载全过程中体系稳定承载力 与索力之间的变化关系， 体系稳定承载力与体系变形能力之间的变化关 其中：
在所述歩骤 （1 ) 中， 基于体系荷载系数与脊索应力之间的变化关系 求得体系弹性承载能力系数 κ;
在所述歩骤 （3 ) 中， 基于体系荷载系数与体系变形能力之间的变化 关系求得索穹顶体系破坏荷载系数 Pu和体系极限变形系数 Du。
进一歩的， 索穹顶结构承载全过程分析通过计算机仿真分析实现， 且其中： 依据歩骤 （6) 中获得的试验结果， 将索穹顶结构的材料模型设 定为非线性属性； 依据歩骤 （6) 中获得的试验结果， 在计算模型中考虑 索的预应力损失及索夹节点约束刚度影响， 并在计算过程中考虑索穹顶 结构体系几何非线性； 分析在 ANSYS软件中进行， 采用非线性迭代方法 求解。
所述非线性迭代方法的求解过程矩阵方程可为：
第 1迭代歩切向刚度矩阵；
Figure imgf000009_0001
的荷载向量； 为第 n个荷载歩、 第丄迭代歩恢复力的向量；
{ΔΙ/,·}为第 i迭代歩的位移增量。
有利的， 在设计索穹顶结构的过程中， 同时控制体系弹性承载能力 系数 K、 体系稳定承载力系数 和体系变形能力系数 。
有利的， 在所述歩骤 （1 ) 中， 逐歩增加荷载到索穹顶结构上， 直至 施加 K倍的设计荷载到索穹顶上。
下面用实施例进 工程示例： 索穹顶屋盖结构工程
图 1 示出了索穹顶屋盖结构， 其外围可采用放射状布置大跨度钢管 相贯桁架结构 （未示出）， 屋盖中心为跨度 71.2m肋环型索穹顶结构， 矢 高 5.5m， 设 20道径向脊索 2和 2道环索 3。
歩骤 （1 ) :
在试验室内对索进行材料力学试验， 得到弹性模量 =1.9xl05MPa， (名义） 屈服强度 ^=1330MPa， 极限强度 /„=1670MPa， 线膨胀系数 o=1.2xlO-5/°C ; 在试验室内对索及索夹连接节点进行力学试验， 得到连接 节点摩擦系数及约束刚度等参数， 计算中考虑 3%的损失。
歩骤 ( 2 ) ：
进行索穹顶结构承载全过程分析研究。 依据试验室试验结果， 将结 构材料模型设定为非线性属性； 并在计算过程考虑结构体系几何非线性 和节点预应力损失。 分析在 ANSYS软件中进行， 采用非线性迭代方法求 解。
歩骤 （3 ) :
由歩骤 （2 ) 承载全过程计算， 得到图 6。 SP: 以 K倍设计荷载施加 于索穹顶上， 以脊索松弛为判别条件， 求得体系弹性承载能力系数 K=1.5 较为合理。 脊索被受压撑杆分为内脊索、 中脊索和外脊索。 图 6 分别示 出了这几个脊索的荷载系数-脊索应力曲线。
由歩骤 （2 ) 承载全过程计算， 得到图 7、 图 8。 SP : 以环索屈服为 判别条件， 计算索穹顶体系屈服荷载系数 和体系屈服变形系数 。
承载全过程分析可以得出， 外环索屈服时体系屈服荷载系数 =6.5， 体系屈服变形系数 =1/42。
以结构破坏为判别条件， 承载全过程分析可以得出， 索穹顶体系破 坏荷载系数 Pu=12和体系极限变形系数 Du=l/13。
歩骤 （4):
索穹顶体系强度安全系数 取值范围为不大于 1.5且不小于 1.2， 本 工程案例取 1.5 ; 体系变形延性安全系数 ^取值范围为不大于 1.8且不小 于 1.2， 本工程案例取 1.8 ; 体系变形系数允许值 ]范围为 1/30~1/50， 本 工程案例取 1/40 ; 对应于体系变形系数允许值 [D]的荷载系数？[13]为 6.6。 根据上述歩骤得到的指标， 可以得出体系稳定承载力系数 和体系 变形能力系数 A：
PA=m\n{6.5, 8.2， 6.6}=6.5
Z¾=min{1 /42， 1 /21 .42， 1 /40}= 1 /42 综上所述， 可以得出基于承载全过程的本示例工程的索穹顶结构的 设计方法， 尤其是该索穹顶结构的设计指标确定方法， 体系弹性承载能 力系数 K为 1.5， 体系稳定承载力系数 为 6.5， 体系变形能力系数 为 1/42 在详细说明本发明的较佳实施例之后， 熟悉本领域的技术人员可清 楚的了解， 在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化 与改变， 且本发明亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。

Claims

权 利 要 求 书
1、 一种索穹顶结构设计方法， 所述索穹顶具有脊索、 环索， 所述方 法包括如下歩骤： 在计算机仿真或者模型试验中向索穹顶逐歩施加荷载， 使得所述索穹顶经受包括脊索松弛、 环索屈服、 结构破坏这三个阶段的 承载全过程。
2、 根据权利要求 1所述的索穹顶结构设计方法， 包括如下歩骤：
(1) 以脊索松弛为判别条件， 求得体系弹性承载能力系数 K;
(2) 以环索屈服为判别条件， 求得体系屈服荷载系数 和体系屈服 变形系数 ；
(3) 以结构破坏为判别条件， 求得索穹顶体系破坏荷载系数 ^和 体系极限变形系数
(4) 获得体系强度安全系数 4、 体系变形延性安全系数^、 体系 变形系数允许值 [D]以及对应于体系变形系数允许值 [D]的荷载系数 P[D];
(5) 由公式 = mm ^ ,Ρ„/^,Ρ[β] }计算索穹顶的体系稳定承载 力系数 ， 以及由公式 ^minj ;, /^,[/)]}计算索穹顶的体系变形能力 系数 。
3、 根据权利要求 2所述的索穹顶结构设计方法， 还包括歩骤：
(6) 在试验室内对索进行材料力学试验， 得到弹性模量、 屈服强度、 极限强度、 线膨胀系数参数； 在试验室内对索及索夹连接节点进行力学 试验， 得到连接节点摩擦系数及其约束刚度参数；
(7) 通过计算机仿真或模型试验得出承载全过程中体系荷载系数与 索力之间的变化关系， 体系荷载系数与体系变形能力之间的变化关系， 其中：
在所述歩骤 （1) 中， 基于体系荷载系数与脊索应力之间的变化关系 求得体系弹性承载能力系数 K;
在所述歩骤 （2) 中， 基于体系荷载系数与环索应力之间的变化关系 求得体系屈服荷载系数 和体系屈服变形系数 ； 在所述歩骤 （3) 中， 基于体系荷载系数与体系变形能力之间的变化 关系求得索穹顶体系破坏荷载系数 Pu和体系极限变形系数 Du。
4、 根据权利要求 1所述的索穹顶结构设计方法， 所述方法包括如下 歩骤：
(1) 以脊索松弛为判别条件， 求得体系弹性承载能力系数 K;
(3) 以结构破坏为判别条件， 求得索穹顶体系破坏荷载系数 ^和 体系极限变形系数
(4) 获得体系强度安全系数 4、 体系变形延性安全系数^、 体系 变形系数允许值 [D] 以及对应于体系变形系数允许值 [D]的荷载系数 P[D];
(5) 由公式
Figure imgf000013_0001
计算索穹顶的体系稳定承载力系数
^， 以及由公式 A = mm{Du /λΒ , 计算索穹顶的体系变形能力系数 。
5、 根据权利要求 4所述的索穹顶结构设计方法， 还包括歩骤：
(6) 在试验室内对索进行材料力学试验， 得到弹性模量、 屈服强度、 极限强度、 线膨胀系数参数； 在试验室内对索及索夹连接节点进行力学 试验， 得到连接节点摩擦系数及其约束刚度参数；
(7) 通过计算机仿真或模型试验得出承载全过程中体系稳定承载力 与索力之间的变化关系， 体系稳定承载力与体系变形能力之间的变化关 其中：
在所述歩骤 （1) 中， 基于体系荷载系数与脊索应力之间的变化关系 求得体系弹性承载能力系数 K;
在所述歩骤 （3) 中， 基于体系荷载系数与体系变形能力之间的变化 关系求得索穹顶体系破坏荷载系数 Pu和体系极限变形系数 Du。
6、 如权利要求 2-5中任一项所述的索穹顶结构设计方法， 其中： 在设计索穹顶结构的过程中， 同时控制体系弹性承载能力系数 K 体系稳定承载力系数 和体系变形能力系数 。
7、 如权利要求 3或 5所述的索穹顶结构设计方法， 其中：
索穹顶结构承载全过程分析通过计算机仿真分析实现， 且其中： 依 据歩骤 （6) 中获得的试验结果， 将索穹顶结构的材料模型设定为非线性 属性； 依据歩骤 （6) 中获得的试验结果， 在计算模型中考虑索的预应力 损失及索夹节点约束刚度影响， 并在计算过程中考虑索穹顶结构体系几 何非线性； 分析在 ANSYS软件中进行， 采用非线性迭代方法求解。
8、 如权利要求 7所述的索穹顶结构设计方法， 其中：
所述非线性迭代方法的求解过程矩阵方程为：
Figure imgf000014_0001
式 f：
为 n个荷载歩、 第 1迭代歩切向刚度矩阵；
^为第 n个荷载歩的荷载向量； 为第 n个荷载歩、 第丄迭代歩恢复力的向量；
{ΔΙ/,·}为第 i迭代歩的位移增量。
9、 如权利要求 2-5中任一项所述的索穹顶结构设计方法， 其中： 在所述歩骤 （1 ) 中， 逐歩增加荷载到索穹顶结构上， 直至施加 K 倍的设计荷载到索穹顶上。
10、 根据权利要求 2-5 中任一项所述的索穹顶结构设计方法， 其中: 体系强度安全系数 取值范围为不大于 1.5且不小于 1.2。
11、 根据权利要求 2-5 中任一项所述的索穹顶结构设计方法， 其中: 体系变形延性安全系数 ^取值范围为不大于 1.8且不小于 1.2。
PCT/CN2013/073731 2012-04-04 2013-04-03 一种基于承载全过程分析设计索穹顶结构的方法 WO2013149591A1 (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/500,185 US20150081256A1 (en) 2012-04-04 2014-09-29 Method of Designing Cable Dome Structure Based on Bearing Whole Process Analysis

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201210095739.6 2012-04-04
CN2012100957396A CN102733478B (zh) 2012-04-04 2012-04-04 一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US14/500,185 Continuation US20150081256A1 (en) 2012-04-04 2014-09-29 Method of Designing Cable Dome Structure Based on Bearing Whole Process Analysis

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013149591A1 true WO2013149591A1 (zh) 2013-10-10

Family

ID=46989728

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/CN2013/073731 WO2013149591A1 (zh) 2012-04-04 2013-04-03 一种基于承载全过程分析设计索穹顶结构的方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20150081256A1 (zh)
CN (1) CN102733478B (zh)
WO (1) WO2013149591A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109271722A (zh) * 2018-09-27 2019-01-25 江苏金风科技有限公司 风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102733478B (zh) * 2012-04-04 2013-07-10 中国航空规划建设发展有限公司 一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法
CN104881576B (zh) * 2015-05-15 2017-12-26 中国电力科学研究院 轴心受压构件的弹塑性屈曲荷载的计算方法
CN105825027A (zh) * 2016-03-30 2016-08-03 广东工业大学 顶管顶进过程的多体系统动力学数值模拟方法
CN106599489A (zh) * 2016-12-16 2017-04-26 广西大学 空间圆管结构极限承载力分析的一次线弹性估算方法
CN106777694A (zh) * 2016-12-16 2017-05-31 广西大学 平面圆管结构极限承载力分析的一次线弹性估算方法
CN107034994A (zh) * 2017-06-16 2017-08-11 中国航空规划设计研究总院有限公司 一种有背索的开口式整体张拉索膜结构及其施工方法
CN108062441A (zh) * 2017-12-12 2018-05-22 广州电力机车有限公司 一种自卸车货箱的设计方法
CN107992707B (zh) * 2017-12-26 2021-05-04 中国建筑西南设计研究院有限公司 一种确定张拉索杆结构初始预应力分布的预载回弹方法
CN108664744A (zh) * 2018-05-16 2018-10-16 中国建筑科学研究院有限公司 基于可靠指标的混凝土构件承载力不确定性分项系数表示方法
CN108875257B (zh) * 2018-07-05 2022-05-20 华北水利水电大学 一种栈桥用方钢管桁架n型节点承载力回归分析方法
CN109063351B (zh) * 2018-08-10 2023-06-23 武汉理工大学 一种调节套筒影响下的斜拉桥索力计算方法
CN109470161B (zh) * 2018-11-05 2020-09-04 苏州热工研究院有限公司 一种基于白光干涉传感技术的安全壳性能评价方法
CN109440994A (zh) * 2018-12-26 2019-03-08 同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司 一种环形索支撑结构及弦支穹顶
CN110260039B (zh) * 2019-07-15 2021-01-26 中国十七冶集团有限公司 一种基于bim技术的纵向曲线顶管施工方法
CN110909435B (zh) * 2019-11-28 2023-10-10 上海宇航系统工程研究所 一种网状天线索网形态分析方法
CN113982099B (zh) * 2021-11-03 2022-11-18 湖南省建筑设计院集团有限公司 有曲线的建筑外立面及制造方法、建筑外立面系统和模块
CN114282396B (zh) * 2022-03-07 2022-05-27 西南交通大学 一种刚度可控与承载力提升的柔性防护网设计优化方法
CN114323389B (zh) * 2022-03-14 2022-05-17 四川交达预应力工程检测科技有限公司 预应力检测方法、不分级快速连续张拉方法及系统
CN115130350B (zh) * 2022-07-06 2023-06-20 广西路桥工程集团有限公司 一种连续索的非线性滑移计算方法
CN116561880B (zh) * 2023-07-12 2023-09-12 中建五局第三建设有限公司 一种异形钢结构的安装分析方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08232383A (ja) * 1995-02-28 1996-09-10 Shimizu Corp 屋根構造
CN102733478A (zh) * 2012-04-04 2012-10-17 中国航空规划建设发展有限公司 一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101630344B (zh) * 2009-07-31 2011-01-05 东南大学 一种确定索穹顶初始平衡态的逐环递推方法
CN101691791B (zh) * 2009-09-30 2011-09-28 浙江大学 逐层双环肋环型索穹顶结构与施工成形方法
CN101725203B (zh) * 2009-11-05 2011-07-20 晟元集团有限公司 一种用几何法安装球面肋环型索穹顶结构的方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08232383A (ja) * 1995-02-28 1996-09-10 Shimizu Corp 屋根構造
CN102733478A (zh) * 2012-04-04 2012-10-17 中国航空规划建设发展有限公司 一种基于承载全过程研究的索穹顶结构设计指标确定方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIANG, XIAOMO ET AL.: "Trace analysis of ultimate bearing capacity of tensegrity of cable dome", THE LATEST DEVELOPMENT AND APPLICATION OF MODERN STRUCTURAL ENGINEERING TECHNOLOGY, October 2006 (2006-10-01), pages 133 - 137 *
SUN, WENBO: "Tensegrity construction simulation of cable-membrane roof structure of new stadium in Foshan Sports Center", SPATIAL STRUCTURES, vol. 11, no. 2, June 2005 (2005-06-01), pages 50 - 52 AND 56 *
ZHANG, YIGANG ET AL.: "Analogue simulation of the construction process of cable dome", PROCEEDINGS OF THE 13TH ACADEMIC CONFERENCE OF NATIONAL ENGINEERING CONSTRUCTION COMPUTER APPLICATION, 2006, pages 408 - 412 *
ZHENG, JUNHUA: "Theoretical analysis and design calculation of cable dome", KUNMING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY MASTER'S THESIS, October 2003 (2003-10-01), pages 27 - 45 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109271722A (zh) * 2018-09-27 2019-01-25 江苏金风科技有限公司 风力发电机组的塔架的壁厚的设计方法和设备

Also Published As

Publication number Publication date
US20150081256A1 (en) 2015-03-19
CN102733478A (zh) 2012-10-17
CN102733478B (zh) 2013-07-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013149591A1 (zh) 一种基于承载全过程分析设计索穹顶结构的方法
US20150019177A1 (en) Method of Determining Prestressing Force of Cable Dome Based on Whole Process Analysis of Cable Dome Tensioning and Bearing
Sause et al. Seismic performance of a self-centering rocking concentrically-braced frame
WO2013189275A1 (zh) 一种非对称开口式整体张拉索膜结构及其施工和设计方法
Li et al. Effective length factor of columns in non-sway modular steel buildings
Sulthana et al. Axial compression behaviour of long concrete filled double skinned steel tubular columns
Lawson et al. Serviceability performance of steel–concrete composite beams
Jiang et al. Cyclic loading tests of self-centering prestressed prefabricated steel beam-column joint with weakened FCP
Chen et al. Establishment and application of cable-sliding criterion equation
CN105803941A (zh) 一种斜拉桥双索同时张拉无应力状态施工控制方法
Zhang et al. Seismic performance of steel braced frames with innovative assembled self-centering buckling restrained braces with variable post-yield stiffness
CN111350276A (zh) 一种车辐式索承网格钢结构初始预应力状态的设计方法
Liu et al. In-plane stability of concrete-filled steel tubular parabolic truss arches
CN102733525B (zh) 一种基于承载全过程开口式整体张拉结构多阶段设计方法
CN109840384B (zh) 一种兼具承重与耗能双重功能的分段式钢筋混凝土连梁的设计方法
CN110261051B (zh) 基于结构变形计算预应力混凝土结构截面弯矩的方法
Averseng et al. Reliability analysis of the nonlinear behaviour of stainless steel cover-plate joints
Schneider et al. Load-bearing behaviour and structural analysis of slender ring-stiffened cylindrical shells under quasi-static wind load
CN105927028A (zh) K节点斜材受压承载力的计算方法及装置
Selamet et al. Local buckling study of flanges and webs in I-shapes at elevated temperatures
Watkins et al. Computational modelling of self-centering precast concrete walls
CN109977454A (zh) 一种自复位预制框架结构节点快速优化设计方法
CN102720294B (zh) 一种改善索穹顶性能的构造方法
Ilkhani et al. Soft computing-based approach for capacity prediction of FRP-strengthened RC joints
CN113962126B (zh) 一种钢管混凝土初应力的评估方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13773143

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13773143

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1