[发明专利]一种带结构鲁棒性约束的多因素索穹顶结构质量优化方法

说明书

本发明公开了一种带结构鲁棒性约束的多因素索穹顶结构质量优化方法，包括：(1)根据索穹顶质量要求的质量上限设计初始模型；(2)评价初始模型的结构鲁棒性，并将初始模型的结构鲁棒性作为优化约束条件；(3)确定各优化参数的搜索空间；(4)采用全局优化算法搜索优化后索穹顶结构的各优化参数，获得优化后索穹顶结构的单榀形状特征和具有该单榀形状的索穹顶结构的各杆件横截面积；(5)优化后索穹顶结构的单榀形状特征和具有该单榀形状的索穹顶结构的各杆件横截面积，代入初始模型中获得优化后的索穹顶结构模型。本发明由于在确保结构鲁棒性不低于初始结构鲁棒性前提下同时优化材料分布使得结构质量最轻，有效降低结构造价。

技术领域

本发明属于建筑设计领域，更具体地，涉及一种带结构鲁棒性约束的多因素索穹顶结构质量优化方法。

背景技术

索穹顶结构是基于建筑大师Fuller提出的“让不连续的压杆成为连续拉索形成的拉力海洋中的孤岛”理论诞生的一种由拉力索和受压杆作为基本单元并进行合理组合的一类空间结构柔性体系。相比普通的空间大跨结构，由于索穹顶结构充分利用拉索的高强性能和预张力调控刚度的优良性能，具有跨度大、自重轻、效率高、整体美观、经济性能好等特点，因此在实际工程中得到广泛应用。

由于索穹顶结构的跨度大，因此自重受到限制，不能通过不断增加杆件横截面积来稳固索穹顶结构。如何在有限的自重下，通过合理分配各杆件的质量，从而保证索穹顶结构的结构鲁棒性，而不至于在遭受超越荷载、偶然性荷载的安全系数不够、施工几何偏差等原因引起并最终由于蝴蝶效应导致结构失效、避免经济损失和人员伤亡一直是索穹顶结构设计的挑战。同时，如何在保证结构鲁棒性的前提下，尽量减轻自重从而优化结构，目前还没有相应的优化方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种带结构鲁棒性约束的多因素索穹顶结构质量优化方法，其目的在于以索穹顶结构的形状特征和杆件横截面积组合参数为优化参数，以结构鲁棒性为约束条件进行索穹顶结构质量优化，能保证索穹顶结构鲁棒性的前提下同时对形状和杆件进行多因素联合优化，以大幅降低索穹顶结构自重，由此解决现有技术在大幅减轻结构自重时容易出现索穹顶结构鲁棒性不佳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种带结构鲁棒性约束的多因素索穹顶结构质量优化方法，包括以下步骤：

(1)根据索穹顶质量要求的质量上限设计初始模型；

(2)对于步骤(1)中获取的初始模型，根据所述初始模型包括索穹顶结构榀数、结构环索圈数、结构矢跨比、荷载分布形式、单榀形状特征、各类别杆件参数，评价初始模型的结构鲁棒性，并将初始模型的结构鲁棒性作为优化约束条件，即优化约束条件为：优化后的模型其结构鲁棒性不低于初始模型的结构鲁棒性；

(3)选择单榀形状特征和各类别杆件的横截面积作为优化参数，根据步骤(1)中获取的初始模型单榀形状特征值和各类杆件横截面积，确定各优化参数的搜索空间，使得当各类杆件横截面积的为其搜索空间下限A_min时，在承受常规荷载和干扰荷载共同作用下杆件应力不超过其材料屈服强度为下限；

(4)采用全局优化算法，在步骤(3)确定的各优化参数的搜索空间内，以结构鲁棒性不低于初始模型的结构鲁棒性为约束条件，以索穹顶结构质量最小化为搜索目标，搜索优化后索穹顶结构的各优化参数，获得优化后索穹顶结构的单榀形状特征和具有该单榀形状的索穹顶结构的各杆件横截面积；

(5)将步骤(4)获取的优化后索穹顶结构的单榀形状特征和具有该单榀形状的索穹顶结构的各杆件横截面积，代入初始模型中获得优化后的索穹顶结构模型。

优选地，所述带结构鲁棒性约束的多因素索穹顶结构质量优化方法，其步骤(1)所述初始模型包括索穹顶结构榀数、结构环索圈数、结构矢跨比、荷载分布形式、单榀形状特征、各类别杆件参数。