• ISSN 0258-2724
  • CN 51-1277/U
  • EI Compendex
  • Scopus 收录
  • 全国中文核心期刊
  • 中国科技论文统计源期刊
  • 中国科学引文数据库来源期刊

基于比值更新的索穹顶结构找力分析方法

姜正荣 刘小伟 石开荣 林全攀

姜正荣, 刘小伟, 石开荣, 林全攀. 基于比值更新的索穹顶结构找力分析方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(1): 150-157. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180201
引用本文: 姜正荣, 刘小伟, 石开荣, 林全攀. 基于比值更新的索穹顶结构找力分析方法[J]. 西南交通大学学报, 2020, 55(1): 150-157. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180201
JIANG Zhengrong, LIU Xiaowei, SHI Kairong, LIN Quanpan. Method of Force-Finding Analysis Based on Ratio Updating for Cable Domes[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(1): 150-157. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180201
Citation: JIANG Zhengrong, LIU Xiaowei, SHI Kairong, LIN Quanpan. Method of Force-Finding Analysis Based on Ratio Updating for Cable Domes[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2020, 55(1): 150-157. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180201

基于比值更新的索穹顶结构找力分析方法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20180201
基金项目: 广州市科技计划项目(1563000257);亚热带建筑科学国家重点实验室开放课题(2019ZB27)
详细信息
    作者简介:

    姜正荣(1971—),男,副教授,博士,研究方向为大跨度空间结构,E-mail:zhrjiang@scut.edu.cn

    通讯作者:

    石开荣(1978—),男,副教授,博士,研究方向为预应力钢结构,E-mail:krshi@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TU394

Method of Force-Finding Analysis Based on Ratio Updating for Cable Domes

  • 摘要: 为了快速高效求解索穹顶结构的预应力分布,提出了一种基于比值更新的找力新方法. 以不断更新的索预应力比值来分配拉索预应力,以索力和位形作为收敛控制参数,迭代得到满足精度要求的预应力分布. 基于此,首先对索穹顶结构进行了不考虑重力影响的找力分析,验证了该方法的正确性;其次当考虑重力影响且每个索段划分为多个单元时,可引入沿索长的索水平分力这一不变量,将索力的比值替换为索水平分力的比值. 结果表明:基于比值更新的找力分析方法计算速度快,位形偏差小,精度高;考虑重力影响的找力分析结果与不考虑重力影响相差较大(最大为19.34%),索穹顶结构的找力分析宜考虑重力的影响;将每个索段划分为单个单元和多个单元的找力分析结果相差甚微(最大仅0.05%),当索预应力较大且索长较短时,可将每个索段划分为单个单元以简化求解预应力分布.

     

  • 图 1  分析模型

    Figure 1.  Analytical model

    图 2  索杆预应力分布

    Figure 2.  Cable-strut prestress distribution

    图 3  索段s示意

    Figure 3.  Schematic diagram of cable segment s

    图 4  索杆预应力分布

    Figure 4.  Cable-strut prestress distribution

    表  1  截面参数

    Table  1.   Section parameter

    索杆编号截面面积/mm2 索杆编号截面面积/mm2
    JS1 2 494.03 HS1 5 202.03
    JS2 3 271.03 SLH 1 424.03
    JS3 3 671.03 XLH 2 494.03
    XS3 1 669.03 YG1 6 633.03
    XS2 3 671.03 YG2 3 280.03
    XS1 4 195.03 YG3 2 749.03
    HS2 3 671.03
    下载: 导出CSV

    表  2  预应力分布对比

    Table  2.   Comparison of prestress distributions

    索杆编号预应力 预应力比值
    文献[18]/kN本文方法/kN偏差/% 文献[18]本文方法偏差/%
    JS1 435.33 435.33 0.00 1.000 1.000 0.00
    JS2 715.33 715.09 −0.03 1.643 1.643 0.00
    JS3 1 492.00 1 491.26 −0.05 3.427 3.426 −0.03
    XS3 276.00 275.75 −0.09 0.634 0.633 −0.16
    XS2 764.33 764.02 −0.04 1.756 1.755 −0.06
    XS1 1 001.00 1 000.39 −0.06 2.299 2.298 −0.04
    HS2 1 451.67 1 451.14 −0.04 3.335 3.333 −0.06
    HS1 1 819.33 1 818.41 −0.05 4.179 4.177 −0.05
    SLH 834.00 833.49 −0.06 1.916 1.915 −0.05
    XLH 521.00 520.93 −0.01 1.197 1.197 0.00
    YG1 −339.00 −338.83 −0.05 −0.779 −0.778 −0.13
    YG2 −140.33 −140.23 −0.07 −0.322 −0.322 0.00
    YG3 −57.67 −57.53 −0.24 −0.132 −0.132 0.00
    下载: 导出CSV

    表  3  找力后控制点竖向位置与设计初始态偏差值

    Table  3.   Deviation of the control point’s vertical position after force finding from that in the initial state of design

    节点编号控制点偏差/mm
    B0.045
    C0.045
    D0.097
    E0.097
    F0.030
    G0.030
    下载: 导出CSV

    表  4  找力后控制点竖向位置与设计初始态偏差值

    Table  4.   Deviation of the control point’s vertical position after force finding from that in the initial state of design mm

    节点编号划分为 1 个单元划分为 3 个单元
    B 0.028 0.047
    C 0.028 0.047
    D 0.104 0.085
    E 0.104 0.085
    F 0.031 0.025
    G 0.031 0.025
    下载: 导出CSV

    表  5  找力分析结果对比

    Table  5.   Comparison of force-finding analysis results

    索杆编号节点编号不考虑重力影响/kN考虑重力影响偏差3/%
    划分为 1 个单元/kN偏差1/%划分为 3 个单元/kN偏差2/%
    JS1 D 435.33 435.35 0.00 435.19 −0.03 −0.04
    F 435.33 435.35 0.00 435.45 0.03 0.02
    JS2 B 715.09 735.73 2.89 735.40 2.84 −0.04
    D 715.09 735.73 2.89 735.97 2.92 0.03
    JS3 A 1 491.26 1 619.21 8.58 1 618.81 8.55 −0.02
    B 1 491.26 1 619.21 8.58 1 619.46 8.60 0.02
    XS3 D 275.75 296.43 7.50 296.56 7.55 0.04
    G 275.75 296.43 7.50 296.28 7.45 −0.05
    XS2 B 764.02 870.19 13.90 870.42 13.93 0.03
    E 764.02 870.19 13.90 869.90 13.86 −0.03
    XS1 A 1 000.39 1 193.29 19.28 1 193.83 19.34 0.05
    C 1 000.39 1 193.29 19.28 1 192.67 19.22 −0.05
    HS2 E 1 451.14 1 652.77 13.89 1 652.73 13.89 0.00
    E1 1 451.14 1 652.77 13.89 1 652.73 13.89 0.00
    HS1 C 1 818.41 2 169.04 19.28 2 168.97 19.28 0.00
    C1 1 818.41 2 169.04 19.28 2 168.97 19.28 0.00
    SLH F 833.49 833.50 0.00 833.46 0.00 0.00
    F1 833.49 833.50 0.00 833.46 0.00 0.00
    XLH G 520.93 559.98 7.50 559.97 7.49 0.00
    G1 520.93 559.98 7.50 559.97 7.49 0.00
    YG1 −338.83 −392.08 −15.72 −392.08 −15.72 0.00
    YG2 −140.23 −153.91 −9.76 −153.91 −9.76 0.00
    YG3 −57.53 −59.82 −3.98 −59.82 −3.98 0.00
     注:偏差1、2 分别表示将每根索段划分为 1 和 3 个单元时,考虑重力影响的找力分析结果与不考虑重力影响的找力分  析结果之间的偏差;偏差 3 表示将每根索段划分为 1 及 3 个单元时,考虑重力影响的找力分析结果之间的偏差;E1、  C1F1G1 分别为水平构件 HS2、HS1、SLH、XLH 的另一端.
    下载: 导出CSV
  • GEIGER D H. The design and construction of two cable domes for the Korean Olympics[C]// Proceedings of IASS Symposium. Osaka: [s.n.], 1986: 265-272.
    LEVY M P. Georgia dome and beyond achieving lightweight-longspan structures[C]// Proceedings of IASS-ASCE International Symposium. Atlanta: [s.n.], 1994: 560-562.
    TERRY W R. Georgia dome cable roof construction techniques[C]// Proceedings of IASS-ASCE International Symposium. Atlanta: [s.n.], 1994: 563-572.
    曾文平,王元清,张勇,等. 索穹顶结构的预应力设计方法[J]. 工业建筑,2002,32(9): 24-26. doi: 10.3321/j.issn:1000-8993.2002.09.008

    ZENG Wenping, WANG Yuanqing, ZHANG Yong, et al. The method of prestress design for cable dome[J]. Industrial Construction, 2002, 32(9): 24-26. doi: 10.3321/j.issn:1000-8993.2002.09.008
    陈志华,王小盾,刘锡良. 张拉整体结构的力密度法找形分析[J]. 建筑结构学报,1999,20(5): 29-35.

    CHEN Zhihua, WANG Xiaodun, LIU Xiliang. Form finding of tensegrity structures by force density method[J]. Journal of Building Structures, 1999, 20(5): 29-35.
    张华,单建. 张拉膜结构的动力松弛法研究[J]. 应用力学学报,2002,19(1): 84-86. doi: 10.3969/j.issn.1000-4939.2002.01.023

    ZHANG Hua, SHAN Jian. Dynamic relaxation method study of membrane structures[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2002, 19(1): 84-86. doi: 10.3969/j.issn.1000-4939.2002.01.023
    刘永福,刘郁馨. 动力松弛法在索杆体系分析中的应用[J]. 南京建筑工程学院学报,1998,46(3): 33-41.

    LIU Yongfu, LIU Yuxin. Application of dynamic relaxation in cable-strut systems[J]. Journal of Nanjing Architectural and Civil Engineering Institute, 1998, 46(3): 33-41.
    董智力,何广乾,林春哲. 张拉整体结构平衡状态的寻找[J]. 建筑结构学报,1999,20(5): 24-28.

    DONG Zhili, HE Guangqian, LIN Chunzhe. Finding of equilibrium states of tensegrity systems[J]. Journal of Building Structures, 1999, 20(5): 24-28.
    唐建民,钱若军,蔡新. 索穹顶结构非线性有限元分析[J]. 空间结构,1996,2(1): 12-17.

    TANG Jianmin, QIAN Ruojun, CAI Xin. A nonlinear finite element method for analyzing cable domes[J]. Spatial Structures, 1996, 2(1): 12-17.
    罗尧治,董石麟. 索杆张力结构初始预应力分布计算[J]. 建筑结构学报,2000,21(5): 59-64. doi: 10.3321/j.issn:1000-6869.2000.05.008

    LUO Yaozhi, DONG Shilin. Calculating of initial prestress for cable-strut tensile structures[J]. Journal of Building Structures, 2000, 21(5): 59-64. doi: 10.3321/j.issn:1000-6869.2000.05.008
    陈联盟,袁行飞,董石麟. 索杆张力结构自应力模态分析及预应力优化[J]. 土木工程学报,2006,39(2): 11-15. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2006.02.003

    CHEN Lianmeng, YUAN Xingfei, DONG Shilin. Selfstress mode analysis and optimal prestress design of cable-strut tension structures[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(2): 11-15. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2006.02.003
    PELLEGRINO S, CALLADINE C R. Matrix analysis of statically and kinematically indeterminate frameworks[J]. International Journal of Solids and Structures, 1986, 22(4): 409-428. doi: 10.1016/0020-7683(86)90014-4
    PELLEGRINO S. Structural computation with the singular value decomposition of equilibrium matrix[J]. International Journal of Solids and Structures, 1993, 30(21): 3025-3035. doi: 10.1016/0020-7683(93)90210-X
    袁行飞,董石麟. 索穹顶结构整体可行预应力概念及其应用[J]. 土木工程学报,2001,34(2): 33-37. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2001.02.006

    YUAN Xingfei, DONG Shilin. Application of integrity feasible prestressing to tensegrity cable domes[J]. China Civil Engineering Journal, 2001, 34(2): 33-37. doi: 10.3321/j.issn:1000-131X.2001.02.006
    阚远,叶继红. 索穹顶结构的找力分析方法——不平衡力迭代法[J]. 应用力学学报,2006,23(2): 250-254. doi: 10.3969/j.issn.1000-4939.2006.02.018

    KAN Yuan, YE Jihong. Force finding of tensegrity cable domes —imbalance force iterative method[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2006, 23(2): 250-254. doi: 10.3969/j.issn.1000-4939.2006.02.018
    张沛,冯健. 一种求解索杆张力结构整体自应力模态的能量方法[J]. 土木工程学报,2013,46(6): 62-68.

    ZHANG Pei, FENG Jian. An energy method for overall selfstress modes calculation of cable-strut tension structures[J]. China Civil Engineering Journal, 2013, 46(6): 62-68.
    刘小伟. 大跨度索穹顶结构的若干问题研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2017.
    汤荣伟. 索穹顶结构成形理论及结构优化[D]. 上海: 同济大学, 2005.
  • 加载中
图(4) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  508
  • HTML全文浏览量:  275
  • PDF下载量:  13
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-19
  • 修回日期:  2018-08-12
  • 网络出版日期:  2018-12-21
  • 刊出日期:  2020-02-01

目录

    /

    返回文章
    返回