[发明专利]定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析方法

说明书

本发明涉及一种定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析方法，包括：建立以定长索作为膜结构边界条件的索结构有限元模型；建立两个相同的膜单元，一个为小弹性模量，一个为真实弹性模量；进行索结构的找形分析，冻结真实弹性模量膜单元，进行第一次静力平衡求解；在第一次静力平衡求解基础上，激活真实弹性模量膜单元，冻结小弹性模量膜单元，进行二次静力平衡求解，获得包括满足目标应力设定且真实弹性模量的膜单元的整体结构模型；后续荷载态可在上述模型基础上进行求解计算。该方法能达到以定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态精准分析，且操作简单、快速、高效的目的，为索膜结构成形态找形与荷载态分析提供新思路。

技术领域

本发明涉及复杂索网膜结构的成形态找形与荷载态分析技术领域，特别是涉及一种定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析方法。

背景技术

随着社会的发展，人们对公共活动空间例如大型的展览馆、体育场馆、机场、火车站等需求越来越大；同时，随着大众的审美水平不断的提高，对建筑的美观、外形等要求也在不断的增加；膜结构以其丰富的色彩，轻盈的结构形式，美观的造型也越来越受大众欢迎。这些现象极大的促进了膜结构的不断创新。不仅是在安全、经济方面的创新，更重要的是在造型方面的创新，满足人们不断更新的审美需求，由于薄膜材料性能的不断提高和建造技术的改进，使膜结构在世界范围内日趋繁荣。各国应用膜结构建造了一批造型优美别致的大跨度体育场馆、展览馆、航空港等标志性建筑，我国更是处于膜结构建筑增长的最前列。

目前的膜结构设计一般可分为总体概念设计、初始形态设计、荷载分析和裁剪设计4个阶段。其中，初始形态设计是膜结构设计中的关键技术问题，迄今对这一问题的研究一直是膜结构研究中的焦点。

当索边界固定约束，基于非线性有限元的初始形态分析方法，是将索膜构件的初始预张力的分布状态作为已知数，而把与之对应的平衡的形状作为未知数来求解，通常取很小的弹性模量或干脆忽略掉材料本构关系而取弹性模量为零，以让索膜构件在不平衡的预张力作用下能够自由变形，通过迭代计算，最后得到平衡的初始形态，进而确定索膜构件无应力尺寸，此时柔性索边界也伴随相应的找形找力过程，最终更新坐标，恢复真实弹性模量，即可获得成形态与荷载态计算模型。

但当针对定长索边界为弹性约束时，无法采用更新坐标和恢复模量方法实现这种膜结构成形态与荷载态分析；另外，对已有的索膜结构，当膜结构发生破损，需要更换膜结构时候，索边界无应力长度已经确定，膜结构膜材料又无法实现完全与之前膜材料力学性能相同，且索边界一般也为弹性约束，非完全固定约束，现有的方法都不能实现这种以定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析方法，本方法可广泛应用于大跨度复杂索结构中膜结构成形态找形分析，这种方法能使成形态膜预应力均匀且结构位形满足要求，且操作简单、快速、高效，为这种定长索边界为弹性约束，非完全固定约束的索膜结构成形态找形与荷载态分析提供新思路。

本发明是这样实现的：

一种定长索作为边界条件的膜结构成形态与荷载态分析方法，包括以下步骤：

建立以定长索作为结构构件的索结构有限元模型，将索结构作为膜结构的边界条件；

建立膜结构有限元模型，在相同节点处建立两个相同的膜单元，并且其中一个设定为小弹性模量，另一个设定为真实弹性模量，并将两种弹性模量的膜单元的初始预应力设定为目标预应力；

进行膜结构找形分析，激活小弹性模量膜单元并冻结真实弹性模量膜单元，进行第一次静力平衡求解，确定膜结构形态；

在第一次静力平衡求解的基础上，激活真实弹性模量膜单元并冻结小弹性模量膜单元，进行第二次静力平衡求解，得到包括满足目标预应力设定且真实弹性模量膜单元的整体结构模型；

在整体结构模型基础上进行荷载态的分析计算。