[发明专利]一种张力结构找形找力一体化设计方法

说明书

本发明公开了一种张力结构找形找力一体化设计方法，涉及工程结构设计技术领域，其技术方案要点是：构建张力结构关联矩阵；确立自由节点力平衡方程I；确立单元力密度相互关系的方程II；确立单元力密度总体大小的方程III；确立以节点坐标为未知量的自由节点力平衡方程IV；确立以自由节点坐标为未知量的方程V：综合得到找形找力一体化方程VI：利用最小二乘法，求解找形找力一体化方程VI的近似解；更新找形找力一体化矩阵、找形找力一体化系数；反复操作，直至找形找力一体化方程VI的误差小于预设误差限值，完成找形找力。本发明不再区分“形”与“力”，可同时求解节点坐标、单元力密度，提高了复杂的张力结构找形找力处理效率。

技术领域

本发明涉及工程结构设计技术领域，更具体地说，它涉及一种张力结构找形找力一体化设计方法。

背景技术

建筑、桥梁领域的张力结构不但是具有预应力的自平衡体系，而且需满足一定的功能目标，功能目标可分为2类：1)节点坐标功能目标，如采用车辐式索桁架结构形式的体育场屋盖内开口为和下方跑道形状一致，其内环平面为椭圆；为使内环撑杆规格统一，其撑杆长度相等。2)单元预应力功能目标，如调节车辐式索桁架上下弦的预应力比值以满足结构刚度要求；调节车辐式索桁架吊索预应力值，使荷载作用下吊索不松弛。

现有的找形找力方法，如公开号为CN108319800B的中国专利，公开了一种基于功能目标的张力结构通用体型设计方法，其中可综合考虑节点坐标功能目标、单元预应力功能目标，进行找形、找力的交替迭代求解，最终得到张力结构节点坐标及单元预应力分布，但存在以下问题：找形、找力交替迭代求解过程较繁复，且为保证交替迭代求解收敛，对附加的节点坐标功能目标、单元预应力功能目标数量及具体取值要求较高，需要研究人员或工程师对此类张力结构有全面了解。对于较复杂、全新的结构，其结构特点尚不清楚，两类功能目标的取值无法获得。

因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的张力结构找形找力一体化设计方法是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种张力结构找形找力一体化设计方法，不再区分“形”与“力”，可同时求解节点坐标、单元力密度，显著提高了复杂的张力结构找形找力处理效率。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种张力结构找形找力一体化设计方法，包括以下步骤：

S1：建立结构模型，对结构单元、节点进行标号，构建张力结构关联矩阵；

S2：确立以单元力密度为未知量的自由节点力平衡方程I；

S3：根据单元预应力功能目标，确立单元力密度相互关系的方程II；

S4：根据结构整体预应力水平，确立单元力密度总体大小的方程III；

S5：确立以节点坐标为未知量的自由节点力平衡方程IV；

S6：根据节点坐标功能目标，确立以自由节点坐标为未知量的方程V：

S7：组集步骤S1-S6中的方程I-V，得到以自由节点坐标、单元力密度为未知量，综合自由节点力平衡条件、节点坐标功能目标、单元预应力功能目标及整体预应力水平的找形找力一体化方程VI：

S8：利用最小二乘法，求解找形找力一体化方程VI的近似解，得到找形找力一体化坐标；

S9：更新找形找力一体化方程VI中的找形找力一体化矩阵、找形找力一体化系数；反复操作，直至找形找力一体化方程VI的误差小于预设误差限值，完成找形找力。

进一步的，步骤S1中，所述张力结构关联矩阵的表达式具体为：

C_s＝[C C_f]