[发明专利]一种索杆梁混合体系找形的力密度有限元混合法

说明书

技术领域

本发明涉及的混合法，尤其涉及一种索杆梁混合体系找形的力密度有限元混合法。 

背景技术

形状确定分析（找形）是含索-杆体系的柔性或半刚性混合建筑结构计算分析的重要环节，是联系结构工作状态和无应力下料状态的纽带。对于刚性建筑结构，图纸上的几何就是结构建成时的几何。对于柔性建筑结构，图纸几何是建筑师预期的几何，最终的建筑结构几何形态还与其力学状态密切相关，因此需要进行找形确定其形状和初始内力状态。对于混合建筑结构，建筑师要求刚性的周边支承结构保持为设计图纸的几何，而柔性体系部分周边位置不变，内部根据力学原理确定形状。 

混合结构的形状确定分析通常采用基于几何非线性有限元的通用分析软件完成。采用非线性有限元法，确定的建筑结构真实形状位于变形后的平衡位置。在实际应用中，认为刚性的支承体系刚度较大，往往忽略这个几何误差。但是，对于含柔性体系的混合结构而言，这个误差将导致结构预应力施工的困难，结构的最终位形难以与图纸完全符合。 

除了非线性有限单元法，力密度法、动力松弛法也是柔性索-杆体系找形的有效方法。力密度法物理概念明确、计算速度快、可设置多种优化目标，是一种广泛采用的柔性结构体系找形工具。但是，力密度法仅适用于含索- 杆的结构体系。 

线性有限单元法基于小位移、小变形的假设，是绝大多数建筑工程结构力学计算分析的首选工具，其内力是在结构建模位置上的平衡内力。 

综上所述，对于含有索-杆-梁的混合结构体系，采用非线性有限单元法找形存在一定的几何误差，而力密度法又仅适用于索-杆体系。为了有效确定混合结构的初始形态，需要开发一种力密度和有限元结合的混合方法，在获得柔性索-杆体系的合理形态和内力分布的同时，保证支承体系与图纸几何保持一致，从而得到符合图纸几何的混合结构初始形态，为后续设计计算提供基础条件。 

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种有效地解决建筑结构中柔性部分形状及内力分布、并确保支承结构与图纸几何一致的索杆梁混合体系找形的力密度有限元混合法。 

本发明的技术方案是：一种索杆梁混合体系找形的力密度有限元混合法，包括如下步骤： 

（1）明确定义建筑结构模型为柔性索-杆体系和支承体系； 

（2）定义柔性索-杆体系构件的力密度； 

（3）“杀死”结构模型的支承体系，即所有连接有支承体系构件的节点均约束，所有支承体系构件均定义为失效； 

（4）采用力密度法找形，得到符合力学原理的索-杆体系形状和内力分布； 

（5）激活”结构模型的支承体系，“杀死”索-杆体系，即步骤（3）“杀死”的构件和节点均复原，同时，所有只连接索-杆体系构件的节点均约束，所有索-杆体系构件均定义为失效； 

（6）步骤（5）计算获得的索-杆体系和支承体系连接位置的支座反力施加到支承结构上，采用线性有限元分析，得到模型原位置上支承体系的平衡内力状态。 

本发明应用于含双曲面索网的混合建筑结构，得到了符合力学平衡条件的柔性索网结构理想形状和内力分布，同时又得到了在图纸几何下支承体系的内力分布，满足了建筑师的要求，也为后续结构的分析提供了基础条件。 

附图说明

图1为实例混合结构工程的整体轴测图。 

图2为实例混合结构工程的索网部分及其边界桁架。 

图3为实例混合结构工程的索网部分。 

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。 

（1）图1所示的建筑结构为一复杂的索-杆-梁体系混合结构，其柔性索-杆体系为2片双曲面的索网，其高度为40m，经向索直径为32mm，纬向索直径为24mm，其支承体系为2片风帆状双层网格结构及其下部的框架，总高为50m； 

图2所示为该建筑结构的柔性索网及其周边的支承桁架，定义如图3所示的2片索网为索-杆体系，其余的网格结构、周边桁架及下部框架均为支承体系； 

（2）定义柔性索网的力密度，并设定目标值，经向索的索力目标值为200KN，纬向索的目标值为100KN； 

（3）“杀死”结构模型的支承体系，即所有含网格结构、周边桁架及下部框架的节点均约束，网格结构、周边桁架及下部框架构件均定义为失效； 

（4）采用力密度法找形，得到符合力学原理的索网体系形状和内力分布，经向索和纬向索的分布力；