[发明专利]一种基于承载全过程开口式整体张拉结构多阶段设计方法

摘要

一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，是拟合开口式预应力整体张拉结构承载全过程所体现的四阶段荷载‑力学响应特征的承载全过程设计方法，该方法采用符合索网非线性柔性结构力学响应特征的多阶段目标控制方法，并提供了各阶段设计指标确定方法，具体包括以下步骤步骤1，确定相关参数，并采用非线性迭代方法计算，进行结构承载全过程分析，绘制结构响应曲线；步骤2，确定结构响应阶段①，在永久荷载及1倍可变荷载作用下承载能力及竖向变形能力安全控制条件，进行结构设计；步骤3‑5，依次确定结构响应阶段②‑④的承载能力及竖向变形能力安全控制条件，进行结构设计，直至满足所有安全控制条件完成结构设计。

主权项

一种基于承载全过程的开口式预应力整体张拉结构多阶段设计方法，其特征在于根据该结构承载全过程所体现的结构非线性特性将结构力学响应变化过程依次分为如下几个阶段：阶段①，即弹性阶段，荷载由预应力张拉加自重的结构成形态增加到由永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用的结构正常使用态，谷索拉应力逐渐下降，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形；阶段②，谷索松弛或拉应力下降至最低点，其它拉索拉应力接近按线性增长，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段③，谷索再次拉紧，所有拉索拉应力接近按线性增长，直至受拉屈服，环索非线性竖向变形；最大竖向变形增量倍数小于荷载增量倍数；阶段④，拉索拉应力按非线性增长，应力增量倍数小于荷载增量倍数，直至拉索拉断破坏，环索非线性竖向变形，最大竖向变形增量倍数大于荷载增量倍数，结构丧失承载力；其中荷载增量倍数即施加荷载与1倍可变荷载的比值；竖向变形增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的结构竖向变形与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的结构竖向变形的比值；应力增量倍数即永久荷载及施加荷载共同作用下的拉索应力与永久荷载及1倍可变荷载共同作用下的拉索应力的比值；施加荷载是指除永久荷载外，施加在结构上的荷载；谷索松弛指谷索出现拉应力为0的情况；其具体步骤如下：步骤1，根据相关设计标准，确定索体弹性模量、屈服强度、极限强度бu、线膨胀系数、索夹连接节点摩擦系数及其约束刚度参数；并将上述参数通过相关力学实验复核；采用ANSYS或ABAQUS等计算软件，建立与建筑情况一致的仿真计算模型，并将上述参数输入计算模型，通过分析计算，进行开口式预应力整体张拉结构承载全过程分析；拉索预拉应力б0采用0.2～0.3бu，根据分析结论，确定各结构力学响应阶段，并绘制相关结构响应曲线；步骤2，根据结构响应阶段①，即弹性阶段，永久荷载及1倍可变荷载(P1)共同作用下，计算得出索体拉应力б1，以0<б1≤(0.35～0.5)бu作为阶段①承载力安全条件；计算得出环索竖向变形值d1及谷索竖向变形后的曲线倾角α1，d1为永久荷载及1倍可变荷载共同作用下环索竖向变形值；α1为永久荷载及1倍可变荷载共同作用产生竖向变形后的谷索曲线上任意点的切线与水平线的夹角，以d1≤[d1]，α1≥[α]作为阶段①竖向变形能力安全条件，其中[d1]为满足膜结构排水、排雪、美观建筑使用要求，确定的永久荷载及1倍可变荷载共同作用下环索最大允许竖向变形值[d1]，取L/(60～85)，L为开口式预应力整体张拉结构悬挑长度，[α1]为永久荷载及1倍可变荷载共同作用下谷索竖向变形后的曲线倾角最小允许值，[α1]取值范围为5～7度；并以满足上述要求为条件，确定拉索预拉应力б0的合理性；若分析结果不满足本步骤上述控制要求，应采取调整钢索预拉应力б0、改变体系布局、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2进行设计，直至满足要求；步骤3，根据结构响应阶段②，谷索松弛或拉应力下降至最低点的荷载增量倍数Ps/P1，以Ps/P1≥Ks，作为阶段②弹性承载能力安全条件，其中Ps为谷索松弛或拉应力下降至最低点的荷载，Ks为体系弹性承载能力系数，取Ks＝1.3～1.8；以ds/d1≥γ(Ps/P1)作为阶段②弹性竖向变形能力安全条件，γ为系数，取γ＝1.0～1.2，ds为谷索松弛或拉应力下降至最低点的施加荷载(Ps)作用下，环索竖向变形值；ds/d1为弹性竖向变形能力系数；若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3进行设计，直至满足要求；步骤4，根据结构响应阶段③，以拉索屈服时对应的荷载增量倍数Py/P1≥Ky作为阶段③体系屈服承载能力安全条件，其中Py为拉索屈服时对应的荷载，Ky为体系屈服承载力系数，取Ky＝5.0～6.5；计算得出拉索屈服时对应的环索竖向变形值dy，拉索屈服时对应的谷索竖向变形后的曲线倾角αy，以dy≤[dy]，αy≥[αy]作为阶段③竖向变形能力安全条件，其中[dy]为拉索屈服时环索最大允许竖向变形值，取L/(12～20)，[αy]为拉索屈服时谷索竖向变形后的曲线倾角最小允许值，[αy]≥0度；若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4进行设计，直至满足要求；步骤5，根据结构响应阶段④，以拉索极限破段时对应的荷载增量倍数Pu/Py≥Ku作为阶段④体系极限承载能力安全条件；计算得出拉索极限破段时对应的环索竖向变形值du，以du/dy≥γ(Pu/Py)作为阶段④体系极限竖向变形能力安全条件；其中Pu为拉索极限破段时对应的荷载；Ku为体系承载能力延性系数，取Ku＝1.4～1.8；du/dy为体系竖向变形能力延性系数；γ为系数，取γ＝1.0～1.2；若不满足本步骤承载能力安全条件或竖向变形能力安全条件要求，应采取调整钢索初拉力、增加拉索刚度或承载力的方式，重新按照步骤1、步骤2、步骤3、步骤4、步骤5进行设计，直至满足要求，完成结构设计。