[发明专利]一种叠合型索结构体系及其形态分析方法

说明书

本发明涉及建筑工程的结构设计与分析技术领域，尤其是涉及一种叠合型索结构体系及其形态分析方法。该体系在保留索结构轻盈、通透特点的前提下，可以形成自由、复杂的几何曲面和网格，从而解决现有索结构体系对建筑造型制约较大的问题，极大拓宽索结构的应用范围；相应的形态分析方法用于所提出叠合型索结构体系的初始态求解，可求得满足建筑造型需求、即目标位形下的预应力分布，解决该体系工程应用的核心问题。

技术领域

本发明涉及建筑工程的结构设计与分析技术领域，尤其是涉及一种叠合型索结构体系及其形态分析方法。

背景技术

索结构是一类广泛应用于体育场馆、展馆、影剧院等大空间公共建筑的结构体系，其由只可受拉的索和既可受拉、又可受压的杆组成，根据构件布置方式不同，可分为单层索网、索桁架结构、索穹顶结构等形式。由于索采用高强材料制成，且在结构承载过程中处于受拉状态，受力效率高、不存在构件稳定问题，因此其截面尺寸远小于传统的混凝土构件和钢构件等，可以营造非常轻盈、通透的建筑效果。

不同于混凝土结构、传统钢结构等刚性结构靠材料自身提供结构刚度和承载力，索结构属于典型的柔性结构体系，需要通过施加预应力来达到稳定状态，建立刚度和承载能力。索结构张拉成形后能够实现的几何曲面、网格并非任意的，而是与结构布置、施加的预应力等因素直接相关，如单层索网只能应用于负高斯曲率的曲面、索桁架只能形成较为规则的曲面形状和结构布置等。这一特性要求采用索结构的建筑在设计过程中需要更多地考虑几何的可行性，无法获取与采用刚性结构的建筑等同的几何灵活性，从而在一定程度上限制了索结构的应用范围。

索结构在分析设计中存在三种状态：(1)零状态，即按照几何原则建立、未执行计算的结构模型；(2)初始态，即在零状态基础上，考虑结构自重等因素，计算得到的结构平衡状态；(3)荷载态，即在初始态基础上施加后续荷载和作用，计算得到的结构平衡状态。形态分析的求解对象是满足建筑设计要求、即目标要求的索结构初始态，包含结构的平衡位形和相应的预应力。在求得索结构的初始态后，一方面可以在此基础上计算各种荷载和作用下的结构响应，即荷载态分析，完成结构设计；另一方面可以以初始态为目标，开展索结构的施工分析，制定施工方案。因此，形态分析在索结构的整个建造过程中处于承前启后的位置，是索结构从设计到施工的核心工作。在当前的理论研究和工程实践中，尚无针对不同类型索结构体系的通用形态分析方法，需要根据每种类型索结构的特点采取相应的分析策略。因此，对于每一种新型的索结构体系，提出适用的形态分析方法是验证其可行性、实现工程应用的重要前提条件。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叠合型索结构体系及其形态分析方法。该体系在保留索结构轻盈、通透特点的前提下，可以形成自由、复杂的几何曲面和网格，从而解决现有索结构体系对建筑造型制约较大的问题，极大拓宽索结构的应用范围；相应的形态分析方法用于所提出叠合型索结构体系的初始态求解，可求得满足建筑造型需求、即目标位形下的预应力分布，解决该体系工程应用的核心问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种叠合型索结构体系，其包括：叠合设置的承载结构、造型结构和联系构件；

所述承载结构位于叠合型索结构体系的下方，为整个体系提供抵抗各种外部荷载和作用所需的刚度和承载力；

所述造型结构位于叠合型索结构体系的上方，主要起构建所需建筑造型的作用，同时也可以协调承载结构受力、提高结构整体性；

所述联系构件位于所述造型结构和所述承载结构之间，所述联系构件沿竖直方向布置，其上端和下端分别与造型结构节点和承载结构节点连接，联系造型结构与承载结构，从而形成整体的索结构体系。