[发明专利]一种车辐式索网的直接找形方法

说明书

本发明公开了一种车辐式索网的直接找形方法，本发明的方法具体可概括为主要针对车辐式单层、双层或单双层混合索网结构，利用初始平面节点坐标，根据自由节点x、y方向力平衡条件直接求取单元力密度向量，再合理设置径向索索间构件内力与内环撑杆内力的比例关系以及内环撑杆高度，并结合自由节点z方向力平衡条件，即可一次性求得车辐式索网结构的自由节点z坐标、径向索索间构件内力以及内环撑杆内力。本发明的方法概念明确，计算流程简洁，无需迭代求解方程组，可应用于车辐式索网等大跨建筑结构的找形分析。

技术领域

本发明属于建筑工程的结构设计领域，具体涉及一种车辐式索网的直接找形方法。

背景技术

车辐式索网结构是一种新型的高效结构形式，可划分为单层、双层、以及单、双层混合索网。这种索网结构由径向索、环索，以及径向索间撑杆(或吊索)、内环撑杆组成。车辐式索网结构内部只存在拉力和压力这两种轴心受力方式，结构中不存在受弯构件，这样的受力方式使得建筑材料在索网结构中得到最大化利用。此类结构形式具有自重轻、适用跨度大、施工方便、建筑效果美观简洁等特点，已广泛应用于各类大跨度建筑，特别是体育场馆建筑中。

车辐式索网结构无预应力时为几何可变体系，只有对其施加预应力后才能形成结构刚度，成为几何不变体系。结构初始预应力对结构形态和结构刚度起着决定性作用，同时结构形态又影响结构受拉单元、受压单元的预应力分布，结构形态和结构预应力分布高度关联、相互影响。由已知结构构件预应力分布求解结构形状的过程称为找形，由已知结构形状求解结构构件预应力分布的过程称为找力，一般情况下，找形、找力统称为找形。常用的找形方法有力密度法、动力松弛法、非线性有限元法。

建筑领域的车辐式索网结构不但是具有预应力的自平衡体系，而且需满足一定的几何外观要求，主要可分为2类：

1)内环撑杆高度。为使内环撑杆规格统一，其撑杆高度相等；或者为满足内环外观的变化，其撑杆高度为一组连续变化的数值；极端情况下，部分区域内环撑杆高度为零，此区域退化为车辐式单层索网，整体结构演变为车辐式单、双层混合索网。

2)径向索的凹凸程度。车辐式索网的上、下径向索一般需通过吊索或撑杆连接。吊索使得上径向索下凹，撑杆使得上径向索上凸，其凹凸程度可通过径向索间的吊索(或撑杆)内力调节。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述车辐式结构找形设计的特点，提出了一种直接找形方法，使其不但能形成自平衡体系，而且满足一定的建筑造型和预应力分布要求。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种车辐式索网的直接找形方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)建立索网结构模型，对结构单元、节点进行编号，构建索网结构关联矩阵C_s；

2)利用索网自由节点平面坐标，形成以单元力密度向量为未知量的自由节点力平衡方程组Ⅰ：

其中A、分别为结构平衡矩阵、节点荷载向量；

3)直接求解平衡方程组Ⅰ，得到对应的上、下弦索网力密度向量：

其中，α_u、α_l分别为索网上、下弦力密度向量的比例系数，α_u、α_l决定了整体结构的预应力度，v₀为矩阵A奇异值为0所对应的归一化右特征向量，为方程组Ⅰ的特解；

4)利用单元力密度向量径向索索间吊索(或撑杆)内力与内环撑杆内力关系、内环撑杆高度等限制条件形成以自由节点z坐标、径向索索间吊索(或撑杆)以及内环撑杆内力为未知量的自由节点力平衡方程组Ⅱ：