[发明专利]大开口索承网格结构的找形方法

说明书

技术领域

本发明涉及建筑工程技术领域，特别涉及一种适用于体育场的大开口索承网格结构的找形方法。

背景技术

张弦结构在欧洲、日本很早就有应用，由于最初上弦采用钢梁，英文称之为Beam String Structure。1986年日本大学Masao Saitoh教授将这种结构定义为“将弦进行张拉，与梁组合”，称之为张弦梁，较早建成的张弦结构如日本某幼儿园健身房，采用了平行布置的张弦梁，平面尺寸为26m×36m，Masao Saitoh教授设计的日本大学体育馆也采用了平行布置的张弦梁，平面尺寸58m×85m。

近年来，张弦梁的应用日益广泛，上弦形式也从梁发展到拱、平面桁架、立体桁架、网壳，下弦形式也从索单向布置发展为双向布置、空间布置等，跨度也从几十米发展到120多米。随着我国经济实力的上升，目前全球大规模的张弦结构主要集中在我国，其中代表性的工程如上海浦东国际机场一期航站楼（张弦梁，最大跨度82.6m）、广州国际会展中心（张弦立体桁架，跨度126.6m）、国家体育馆（双向张弦桁架，114m×114m）、南沙体育馆（空间张弦结构、直径98m）。

目前已建成张弦结构的上弦均为连续曲面的刚性体系，如梁、桁架、网壳等，故张弦结构多运用于场馆、站台等建筑。由于体育场中间常为露天的场地，故屋面为大开洞的曲面，若将张弦结构刚性上弦中部设置为大开口结构，会造成其上弦无法形成完整的壳体，要获得满足要求的刚度和承载力有很大的设计难度，因此，目前在全球还尚未见有张弦网格体系应用于露天场地体育场的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种运用于体育场的大开口索承网格结构的找形方法。

本发明技术的技术方案是这样实现的：大开口索承网格结构的找形方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)、将大开口索承网格结构拆分成上部大开口刚性体系与下部张拉索杆体系，所述下部张拉索杆体系中的撑杆对上部大开口刚性体系进行支撑，所述撑杆与上部大开口刚性体系的交点为撑杆上节点；

b）、约束上部大开口刚性体系中的撑杆上节点Z向，计算指定荷载工况作用下该节点对应的支座反力；

c）、约束下部张拉索杆体系中的撑杆上节点X、Y向，放松其Z向的约束，将步骤b）中求得的支座反力反号施加至撑杆上节点，采用平衡矩阵理论求得单元内力的最小二乘解；

d）、再约束下部张拉索杆体系撑杆上节点的Z向，采用力密度法求解张拉体系的平衡形态；

e）、力密度法求解张拉索杆体系的平衡形态后，强制使需要保持竖直的撑杆下部自由节点的X、Y坐标等于上部约束节点的X、Y坐标；

f）、将撑杆分组，确定各组撑杆中起长度控制的杆件为主要杆，并确定各组撑杆中主要杆的长度为l_a1、l_a2、…、l_an，其他为从属杆；

g）、在下部张拉索杆体系找形结果中提取各主要杆的长度l₁、l₂、…、l_n；

h）、令主要杆的长度为l_a1、l_a2、…、l_an，而各组从属杆的长度相应乘以对应主要杆的等比例缩放系数：l_a1/l₁、l_a2/l₂、…、l_an/l_n；

i）重复c）至h）步，可获得撑杆保持竖直且长度满足要求的找形结果。

本发明所述的大开口索承网格结构的找形方法，其在所述找形方法中引入判定条件：R([A])≠R([A {P}])，式中R( )表示矩阵的秩，[A] 为力平衡矩阵， {P_t}为节点荷载矩阵，若该式成立，则所述找形方法中所求张拉索杆体系不存在，应调整上述步骤中的限制条件重新求解。

本发明所述的大开口索承网格结构的找形方法，其将张拉索杆体系的变形向量引入张拉索杆形态中对形态进行微调，具体修正步骤如下：

Ⅰ)、将下部张拉索杆体系找形态与上部大开口刚性体系组合，得到整体模型，计算各荷载工况；

Ⅱ）、提取张拉索杆体系自由节点在需要适应的控制工况中的变形向量，将其作为修正向量叠加到自由节点坐标上；

Ⅲ）、采用上述e）～h）步骤进行撑杆竖直及长度修正；

Ⅳ）、以上步骤重复数次，可得到能兼顾其他荷载工况的张拉索杆体系形态。