[发明专利]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

说明书

 

技术领域

本发明涉及预应力钢结构领域，具体而言是一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法。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，对结构逐步增加荷载至结构破坏极限状态的全过程。

 

背景技术

开口式预应力整体张拉结构以钢索为主受力构件，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。开口式整体张拉主体结构由两个部分构成（见图6、图7）：由环索（1）、吊索（2）、脊索（3）、谷索（4）形成了结构中部开口的连续张力索网，周边支撑结构（6）。索膜次结构包括由张紧于脊索、谷索之上的膜和辅助次索（5）。预应力的施加使开口式整体索网从机构演变为结构，并能承受设计使用荷载，所以张力索网是开口式预应力整体张拉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。该结构体系属于以 “小应变—大竖向变形”为主要特征的非线性柔性结构。

由于开口式预应力整体张拉结构体系新颖，受到设计理论、设计手段的制约，以往开口式预应力整体张拉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、体系弹性竖向变形能力设计。上述设计方法无法反映由加载至破坏全过程结构力学特性，从而无法充分揭示结构各受力阶段的安全控制要素，不能完全满足预应力整体张拉结构安全设计要求。上述设计方法已远落后于一般较常规的建筑工程采用的“弹性—非线性”二阶段设计方法，更不能满足具备非线性大竖向变形特征的柔性结构体系特性要求。

为改进和完善工程设计，本发明以大量试验及计算分析为基础，针对非线性竖向变形特征明显的开口式整体张拉柔性结构，提出适合于开口式预应力整体张拉结构的一种基于结构承载全过程的多阶段设计方法。

 

发明内容

目前采用的开口式预应力整体张拉结构设计方法仅限于永久荷载及1倍可变荷载作用下的弹性阶段设计，主要包括构件弹性承载力设计、体系弹性竖向变形能力设计，无法反映由加载至破坏全过程结构力学特性，从而无法充分揭示结构各受力阶段的安全控制要素，不能完全满足结构安全设计要求。

开口式预应力整体张拉结构体系属于以非线性大竖向变形为主要特征的柔性索网结构，在荷载作用下的结构响应与一般较常规的以刚性结构为主的建筑工程完全不同，目前采用的弹性阶段设计方法，无法反映开口式预应力整体张拉结构非线性大竖向变形特征，从而无法实现对该类柔性结构的承载能力及竖向变形能力的安全控制。

基于上述原因，目前采用的设计方法无法完全满足开口式预应力整体张拉结构安全性、经济性、合理性要求。

本发明的目的在于提供一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段目标控制设计方法，同时提供各阶段设计指标确定方法，以充分体现开口式预应力整体张拉结构承载全过程“小应变—大竖向变形” 柔性结构特征，解决现有开口式预应力整体张拉结构设计方法存在的技术问题，实现开口式预应力整体张拉结构设计的安全性、经济性、合理性。

根据开口式预应力整体张拉结构承载全过程所体现的结构非线性特性（见图2），结构力学响应变化过程依次分为如下几个阶段：阶段                                                (弹性阶段)，荷载由预应力张拉加自重的结构成形态增加到由永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用的结构正常使用态，谷索拉应力逐渐下降，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形；阶段，谷索松弛或拉应力下降至最低点，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段，谷索再次拉紧，所有拉索拉应力接近按线性增长，直至受拉屈服，环索非线性竖向变形；最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段，拉索拉应力按非线性增长，应力增量倍数小于荷载增量倍数，直至拉索拉断破坏，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数大于荷载增量倍数，结构丧失承载力。其中，荷载增量倍数即施加荷载与1倍可变荷载的比值；竖向变形增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的结构竖向变形与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的结构竖向变形的比值；应力增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的拉索应力与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的拉索应力的比值；施加荷载是指除永久荷载（如结构自重等）外，施加在结构上的荷载；附图中，结构响应阶段以Li表示。