[发明专利]使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构施工的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用机械运动模拟模型动态模拟张拉结构的施工过程的方法。

背景技术

土木建筑这个古老的行业在近代随着计算机技术的飞速发展而日新月异，新技术，新方法，新建筑形式不断涌现。土建工程建设一般分为设计和施工两大部分，对于传统的土建设计，因为人们积累的施工经验很丰富，不需要计算机施工模拟技术，工程施工也能顺利完成。而对于近30年发展起来的很多新型建筑形式，即包括悬索结构，张拉膜结构，可展开折叠结构，张拉整体结构，索穹顶结构，张弦结构等的大变形大跨度张拉空间结构，人们的认识还很不完善。

张拉结构的共同特点是：

1)必须考虑结构的形状随荷载变化而产生的改变，按变形后的位置来建立平衡条件，这就属于固体力学中的几何非线性问题。

2)结构在没有施加预应力以前没有刚度，其形状是不确取定的。必须通过施加适当预应力使结构具有一定的形状，才能成为承受外荷载的结构。

3)施工的过程就是施加预应力以形成结构刚度的过程，是从柔软的且形状不定的状态转化为牢固稳定状态的过程。结构构件相互牵扯整体位置改变可达几十米，同时构件之间相互位置改变也可达到十几米。

4)构件之间多为可旋转铰链接，因此施工过程类似于整个结构体系从初始位置到设计位置的机械运动过程。

传统钢结构、钢筋混凝土结构、砖石结构与张拉结构的区别：

1)传统结构的形状随荷载变化而产生的改变较小，一般可按线性问题考虑。

2)结构中一般不加预应力，即便有少量构件施加了预应力，对结构的整体形状也不会产生很大影响。

3)结构施工过程可以看成刚性构件不断累加的过程，构件之间的位置一般是不会有很大变化。

4)构件之间多为不能移动和转动的刚性连接，因此施工过程类似于一个搭积木的过程，不会存在大量构件整体机械运动的现象。

由以上可以认识到，张拉结构往往都是柔性体系-在结构成型之前构件体系形态不固定，而且跨度大，施工步骤复杂。不夸张地说，施工过程 的计算分析的工作量甚至超过设计分析的工作量。这就使得施工模拟技术成为新型建筑形式能否顺利实现的瓶颈技术。

现有的施工模拟技术包括传统建筑结构施工模拟技术以及大跨度张拉空间结构施工静态模拟技术。

其中，传统建筑结构施工模拟技术：

基本都是采用有限元静态分析中的单元生死技术来模拟安装过程的。所谓静态分析是指结点上的未知量只有位移，而不会包括速度和加速度，即不会考虑时间因素

单元生死技术的使用一般按照如下步骤：

1)在前处理器中建模时，必须一次性将所有单元创建好。

2)一开始将所有单元杀死，然后按照施工安装步骤逐步激活安装构件单元，如桥梁施工过程

3)另一种情况是单元开始都处于生的状态，而后会经历部分单元的不断杀死，同时也伴随部分单元被激活。如在土建基坑开挖过程中，土层不但开挖，同时又不断加固围衬，防止滑坡。

4)对于被杀死的单元，处理方法是将单元刚度矩阵乘以一个很小的因子，并不是真正将其从模型中删除。被杀死的单元载荷为零，质量、阻尼、比热、应变和其他同类特性均等于零

5)当死单元被重新激活时，其刚度、质量、单元荷载等都将恢复其原始真实值。再生单元应变为零，如果存在初应变，则可以通过单元实常数方式输入。

6)施工模拟时需要人为划分出若干个阶段，在相邻阶段的临界处杀死或激活某些单元，然后通过静力分析得到需要验证的力学指标，检验其是否满足施工中的各项要求，如设备承受能力，位移安全限制等。但在阶段内部则无法检验是否会有力学指标突变或机构锁死的现象。

大跨度张拉空间结构施工静态模拟技术：

现在都是使用有限元静态分析中的单元删除技术。具体方法如下。

1)由于在施工模拟时划分的各个阶段，结构整体形状和构件相互位置变化较大，所以不能一次性将所有单元创建好，必须分阶段建模。

2)采用逆序拆除法。由于结构的最终形状和预应力分布情况在施工前已经在设计阶段都确定了，而施工开始时的结构的初始形状和预应力分布却是任意的。所以只能从结构的最终形态开始将所有单元创建好并施加预应力到设计值，然后分阶段将部分单元删除，此时剩下的结构处于不平衡状态，通过静力计算它会调整自己的形状和预应力的分布达到一个新的平衡状态。再以这个新的平衡态为基础删除另一部分单元，在静力计算中寻找新的平衡态。重复以上过程直至施工开始时的结构的初始形态。