[发明专利]基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法

说明书

技术领域

本发明属于土木、仪器和机械等工程中索结构的设计和分析领域，涉及一种针对采用正高斯曲率索网的主动形控结构，基于初始基准态进行优化设计的方法。

背景技术

拉索一般仅具有抗拉刚度，不具备抗压和抗弯刚度，因此由拉索构成的索网结构需要通过张拉等方式引入初始预张力，预先储备足够的预拉应力，从而保证工作使用中拉索始终处于受拉状态。因此，确定拉索的初始预张力是索网结构设计的重要内容之一。

具有正高斯曲率的面索网，无法形成预张力自平衡的结构。而在面索网的外侧设置径向索后，面索网和径向索可构成预张力自平衡的正高斯曲率索网结构。另外，在工作使用中可通过促动器或千斤顶等设备调控径向索的长度，促使面索网形成不同的曲面，从而实现正高斯曲率索网形控结构。

在工作使用中，载控结构是在荷载（如自重、温变、风载和雪载等）作用下被动发生位形变化而达到新的平衡状态；而形控结构为满足工作时的特定位形，不仅经受荷载作用，还在调控机构的作用下主动变位至预设的目标位形并引起内力变化。因此，形控结构的内力变化来自于两方面：荷载变化和主动变位。

形控结构的基准态为预备工作前的初始形态，而工作态为发生主动变位的工作状态。两者的位形都是预定的工作条件，因此主动变位引起的材料应变也是预定的，而应力和内力的变化则还与材料的弹性模量和构件的截面特性相关。

借鉴常规载控结构，进行正高斯曲率索网主动形控结构设计的基本思路为：

1）设定已知条件，包括：索网的几何拓扑关系、拉索材料特性、荷载条件、边界约束条件、基准态和工作态的结构位形条件、拉索的容许应变和调控机构的容许载荷、拉索备选规格等。

2）初设拉索的规格和初始预张力。

3）工况分析，包括初始基准态和多个工作态。

4）拉索和调控机构的承载力验算。

5）若承载力不满足要求，则调整拉索的截面规格和初始预张力。

6）重复3）至5），直至迭代满足收敛标准。

采用常规载控结构的设计思路进行索网形控结构的设计，着重于工况分析，尽管思路简单，但由于形控结构的工作态工况过多，导致设计效率低，未能充分体现形控结构的工作特点。

正高斯曲率索网形控结构包括面索网和径向索，通过主动调控径向索的长度，实现面索网曲面主动变位至不同的工作态位形。根据功能要求，索网形控结构的基准态和工作态的位形是确定的，因此从基准态主动变位至工作态产生的形变也是确定的，即主动变位产生的应变是定值，与材料的力学特性、构件的截面特性以及外载荷无关。在主动变位工作中，索网还会遇到温变、风载和雪载等荷载变化。当遇到大风或大雪等恶劣荷载条件时，索网形控结构应停止主动变位工作，但在一定的允许温差范围内应能正常主动变位工作，因此主动变位工作中产生的应变包括了应力应变增量和温度应变。当温变载荷和材料线膨胀系数一定时，拉索中的温度应变也是定值。

因此，通过预先分析基准态和工作态在位形和温度方面的差异，掌握主动变位和温度变化引起的应变，则可基于初始基准态（单个工况）进行索网形控结构设计，而无需进行工作态（多个工况）的反复分析，这显然提高了索网形控结构的设计效率，但增加了初始基准态的分析难度。

正高斯曲率索网主动形控结构的初始基准态优化设计，主要技术难点为：①如何合理地限定面索初应变范围和设定径向索初张力；②如何基于初始基准态的位形，寻求与径向索初张力和自重载荷相平衡的面索初张力；③面索网一般由拉索和连接件通过销轴连接而成，而拉索由索体和索头两部分构成，因此实际结构中拉索的弹性模量受到索体的长度和弹性模量、索头的长度和刚度、连接件尺寸的影响，这如何在线单元分析模型中予以考虑；④如何根据面索的初张力及初应变限定范围，优选拉索截面规格。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对采用正高斯曲率索网的主动变位形控结构，提供一种可提高设计效率、提高面索应变能储备和索网变位恢复能力、提高径向索索力和面索初应变的均匀性、减轻拉索重量的基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法。