[发明专利]基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法

摘要

本发明公开了一种针对采用正高斯曲率索网的主动形控结构，主动变位工作时面索总应变εa等于初始基准态的初应变ε0和工作时的主动变位应变εd，即：εa=εO+εd。由于在一定的允许温差范围内索网形控结构应能正常主动变位工作，因此主动变位应变εd包括了应力应变增量Δεe和温度应变εT，即：εd=Δεe+εT。因此，主动变位工作时面索总应力应变εe=ε0+Δεe=εO+εd-εT。在基准态和某个工作态之间变位时，面索的主动变位应变εd是定值，这与荷载、面索的规格和弹性模量等无关。本发明是一种基于初始基准态进行优化设计的方法，快速优化初始基准态的拉索初始预张力，确定拉索规格，满足主动变位工作态的性能要求。

主权项

1.一种基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：1）分析准备并建立有限元分析模型：首先确定索网几何拓扑关系、拉索材料特性、荷载条件、边界约束条件、初始基准态结构位形、工作态结构位形、拉索的容许应变[ε]、调控机构的容许载荷上限[F_JU]和下限[F_JL]、拉索备选规格和工作允许温变ΔT；然后根据所述索网几何拓扑关系、拉索材料特性、荷载条件、边界约束条件、初始基准态结构位形在有限元分析软件中建立有限元分析模型；2）确定温变载荷ΔT引起的面索温度应变ε_T：ε_T=ΔT×α，其中α为拉索线温度膨胀系数；同时，在有限元分析软件中，将初始基准态结构位形和工作态结构位形进行对比，从而确定主动变位引起的面索应变ε_d的上限值ε_dU和下限值ε_dL；同时，根据拉索备选规格，选择最小截面规格的索体截面积作为面索的索体截面积初始值3）确定初始基准态的面索初应变ε₀的上限[ε_0U]和下限[ε_0L]：首先计算初始基准态的面索初应变ε₀的最大允许范围为：-ε_dL+ε_T<ε₀<[ε]-ε_dU-ε_T，然后在此范围内选取[ε_0U]和[ε_0L]，即：-ε_dL+ε_T<[ε_0L]≤ε₀≤[ε_0U]<[ε]-ε_dU-ε_T；同时，确定初始基准态的径向索初张力P_J：取调控机构的容许载荷上限[F_JU]和下限[F_JL]的平均值；4）确定面索网综合弹性模量然后在有限元分析模型中，根据荷载条件施加自重载荷，所述自重载荷包括索体、索头、连接件和附属物的重量，其中，j为迭代次数，其初值为0：所述确定面索网综合弹性模量的方法为：首先，根据下式计算各面索的折算弹性模量；Em(j)=L′s(Lsb(j)EbAb(j)+(Lsh(j))2×ρh×gEhGh)Ab(j)]]>其中，G_h、ρ_h为索头的重量、密度；g为重力加速度；为第j次迭代的索体钢丝截面积；E_b为索体弹性模量；E_h为索头弹性模量；为与对应的第j次迭代的实际索头长度、实际索体长度；L′_s为分析模型中索单元的长度；然后根据下式计算各面索折算弹性模量的加权平均值，作为面索网综合弹性模量Em0(j)=Σi=1nEm(j,i)×Ls(j,i)Σi=1nLs(j,i)]]>其中，i为面网索的第i根拉索；n为面网索的拉索总根数；5）采用小弹模迭代方法进行面索初张力的找力分析，即基于初始基准态的位形，寻求与初始基准态的径向索初张力P_J和自重载荷满足静力平衡条件的面索初张力具体步骤为：51）在有限元分析模型中，设定主动调控径向索的弹性模量为虚拟的小值E′_J；给径向索施加已确定的径向索初张力P_J和自重载荷；确定面索初张力的迭代初值为面索初张力迭代收敛误差[ξ_Pm]；52）对有限元分析模型进行静力求解，得到面索网的索力k为迭代次数，其初值为0；53）若|FM(j,k)-PM(j,k)PM(j,k)|≤[ξPm],]]>则停止迭代，将作为面索初张力否则，令并更新面索初张力，即用替换回到52）；6）确定面索初应变ϵ0(j)=PM(j)/(Ab(j)×Em0(j));]]>7）判断是否满足是则停止迭代，并最终确定面索的索体钢丝截面积面索初张力面索网综合弹性模量否则，选取满足Ab(j+1)≥PM(j)/([ϵ0U]×Em0(j))]]>的最小截面规格来更新面索截面规格，回到步骤4）。