一种索穹顶结构抗连续倒塌性能评价及优化方法技术

本发明专利技术公开了一种索穹顶结构抗连续倒塌性能评价及优化方法。所述评价方法，包括(1)对于每一类构件获得移除该构件前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量；(2)计算其变化率，作为所述构件的重要性指标；(3)计算所有类别构件的平均重要性指标，作为该索穹顶结构的抗连续倒塌性能评价指标；(4)评价所述索穹顶结构的抗连续倒塌能力。本发明专利技术引入构件重要性指标评价各类构件在结构抗连续倒塌中的重要性，并以其平均值作为索穹顶结构的抗连续倒塌性能量化评价指标，可靠、有效。该评价方法所需的计算量较小，无需过多外部因素假设，可用于索穹顶结构复杂的拓扑结构优化过程。顶结构复杂的拓扑结构优化过程。顶结构复杂的拓扑结构优化过程。

【技术实现步骤摘要】
一种索穹顶结构抗连续倒塌性能评价及优化方法


[0001]本专利技术属于建筑设计领域，更具体地，涉及一种索穹顶结构抗连续倒塌性能评价及优化方法。

技术介绍

[0002]索穹顶结构是一种基于Fuller张拉整体思想、由拉索与压杆为基本单元、通过张拉成形的柔性结构，由于充分利用拉索高强抗拉性能及施加预应力调控结构刚度，使得结构具有自重轻、承载性能好、构造轻盈等诸多优点，在实际工程中应用广泛。随着经济发展和技术进步，索穹顶结构将进一步朝着跨度更超大、形态更复杂、材料更新颖方向发展，与此同时，将面临爆炸冲击、极端天气等多种极端偶然意外荷载环境，进而导致各种连续倒塌事件频频发生，因此开展面向索穹顶等柔性张力结构的抗连续倒塌性能研究具有重要意义。
[0003]当前结构连续倒塌研究对象主要集中于框架结构体系，针对空间大跨结构的研究相对较少，主要原因是基于对网架网壳等传统空间大跨度结构具有较高超静定次数的普遍认识，认为单根构件的失效不足以显著削弱整体结构的承载能力储备。然而索穹顶结构不同于传统网架网壳等大跨结构，其冗余度低、对施工误差等意外干扰敏感，在超载或意外干扰作用下容易出现倒塌事件。国内外范峰等学者采用生死单元、瞬间移除构件、瞬时加载法等技术模拟断索，分析了各类索穹顶结构发生局部失效、断索后的结构构件内力变化和节点位移响应。江晓峰、蔡建国、曾滨等学者分析了张弦梁、索拱、张弦桁架等各类张弦结构发生局部失效或断索后结构的动力响应和倒塌过程。
[0004]目前索穹顶结构的优化设计一般集中在预应力优化、截面优化、形状优化及拓扑优化等四个层面，其中截面优化、形状优化及拓扑优化设计多围绕着结构质量最轻这一优化目标展开。实际上，索穹顶结构的自重本身就较轻，用钢量一般不到30kg/m2，对其进一步进行质量优化意义不大，因此开展基于结构性能(如结构抗连续倒塌性能等)的设计更有理论研究和工程应用价值。然而目前索穹顶结构等柔性张力结构体系多从定性、概念角度评价结构抗连续倒塌性能，缺乏统一的定量评价指标，现有的评价方法包括基于H∞控制理论的鲁棒指标不仅理论要求高且计算量大，很难广泛应用，另外极端复杂荷载工况下结构抗连续倒塌性能的优化设计更是尚未展开。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种索穹顶结构抗连续倒塌性能评价及优化方法，其目的在于通过对移除特定各类型的构件前后结构位移向量变化率的评价，以其平均值评价索穹顶拓扑抗连续倒塌性能，经验证该指标能用于量化评价所穹顶结构的抗连续倒塌性能，且计算量较小，应用于索穹顶拓扑结构优化，简化优化问题，使其拓扑结构优化的计算量在可接受范围内，由此解决现有技术没有可靠的量化评价指标评价索穹顶整体拓扑结构的抗连续倒塌性能，而采用鲁棒性等评价指标进行拓扑结构优化
时，由于需要预先假定的参数过多，计算复杂导致拓扑结构优化计算量过大的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其包括以下步骤：
[0007](1)对于待优化的索穹顶结构中的每一类构件，进行动力响应分析，获得移除该构件前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量；
[0008](2)根据步骤(1)获得的每一类构件移除前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量，计算该索穹顶结构在荷载作用下位移响应量的变化率，作为所述构件的重要性指标；
[0009](3)对所述待优化的索穹顶结构，计算所有类别构件的平均重要性指标，作为该索穹顶结构的抗连续倒塌性能评价指标；
[0010](4)按照索穹顶结构的抗连续倒塌性能指标越大则所述索穹顶结构的抗连续倒塌性能越差的原则，评价所述索穹顶结构的抗连续倒塌能力。
[0011]优选地，所述索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其步骤(1)所述动力响应分析，采用全动力等效荷载瞬时卸载法进行分析，即：
[0012]用等效力代替构件所述构件，再卸载该等效力，记录等效力开始卸载时和在阻尼的情况下达到终态时的位移响应，获得荷载作用下所述构件移除前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量。
[0013]优选地，所述索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其步骤(2)所述构件的重要性指标按ρ
i
照如下方法计算：
[0014][0015]其中表示欧式范数，s0、s
1i
分别为构件i移除前后结构在荷载作用下的位移向量。ρ
i
越小，表明移除某构件i后结构产生的位移响应越小，构件越不重要，反之越重要。
[0016]优选地，所述索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其步骤(3)所述索穹顶结构的抗连续倒塌性能指标，按照如下方法计算：
[0017][0018]其中，为索穹顶结构的抗连续倒塌能力指标，n为索穹顶结构的构件类别总数。
[0019]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于抗连续倒塌性能的索穹顶拓扑结构优化方法，其包括以下步骤：
[0020]S1、获取优化方案的预设的约束条件，根据所述约束条件，确定其拓扑结构优化变量和优化变量的搜索范围，获得拓扑结构优化空间；
[0021]S2、在步骤S1确定的拓扑结构优化空间内，确定优化变量的值，获得待评价的索穹顶结构；
[0022]S3、采用本专利技术提供的索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法对步骤S2获得的待评价的索穹顶结构的抗连续倒塌性能进行量化评价；
[0023]S4、重复步骤S2、S3直至待评价的索穹顶结构的抗连续倒塌性能达到预设的优化条件，则将该索穹顶结构作为拓扑结构优化结果输出。
[0024]优选地，所述基于抗连续倒塌性能的索穹顶拓扑结构优化方法，其步骤S1所述预设的约束条件，包括索桁架榀数范围、结构拓扑形状冗余度范围等。
[0025]优选地，所述基于抗连续倒塌性能的索穹顶拓扑结构优化方法，其步骤S4所述预设的优化条件，包括：
[0026]索穹顶结构的抗连续倒塌能力指标最小；
[0027]索穹顶结构的抗连续倒塌能力指标减小程度超过预设阈值；
[0028]最近两次的待评价的索穹顶结构的抗连续倒塌能力指标差值小于预设阈值。
[0029]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能的优化方法，其包括以下步骤：
[0030]A、对于待优化的索穹顶结构，按照如权利要求5至7任意一项所述的基于抗连续倒塌性能的索穹顶拓扑结构优化方法进性索穹顶拓扑结构优化，获得优化后的索穹顶结构的结构拓扑形状；
[0031]B、对于步骤A获得优化后的索穹顶结构的结构拓扑形状，提取其单榀模型进行形状局部优化。
[0032]优选地，所述索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能的优化方法，其步骤B所述单品形状进行局部优化具体步骤如下：
[0033]B1、对于优化后的索穹顶结构，获取每一类构件的构件重要性指标ρ
i
进行归一化获得每一类构件的构件重要性系数β
j
；具体按照如下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对于待优化的索穹顶结构中的每一类构件，进行动力响应分析，获得移除该构件前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量；(2)根据步骤(1)获得的每一类构件移除前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量，计算该索穹顶结构在荷载作用下位移响应量的变化率，作为所述构件的重要性指标；(3)对所述待优化的索穹顶结构，计算所有类别构件的平均重要性指标，作为该索穹顶结构的抗连续倒塌性能评价指标；(4)按照索穹顶结构的抗连续倒塌性能指标越大则所述索穹顶结构的抗连续倒塌性能越差的原则，评价所述索穹顶结构的抗连续倒塌能力。2.如权利要求1所述的索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其特征在于，步骤(1)所述动力响应分析，采用全动力等效荷载瞬时卸载法进行分析，即：用等效力代替构件所述构件，再卸载该等效力，记录等效力开始卸载时和在阻尼的情况下达到终态时的位移响应，获得荷载作用下所述构件移除前后索穹顶结构在荷载作用下的位移向量。3.如权利要求1所述的索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其特征在于，步骤(2)所述构件的重要性指标按ρ
i
照如下方法计算：其中||||表示欧式范数，s0、s
1i
分别为构件i移除前后结构在荷载作用下的位移向量。ρ
i
越小，表明移除某构件i后结构产生的位移响应越小，构件越不重要，反之越重要。4.如权利要求1所述的索穹顶拓扑结构抗连续倒塌性能评价方法，其特征在于，步骤(3)所述索穹顶结构的抗连续倒塌性能指标，按照如下方法计算：其中，为索穹顶结构的抗连续倒塌能力指标，n为索穹顶结构的构件类别总数。5.一种基于抗连续倒塌性能的索穹顶拓扑结构优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、获取优化方案的预设的约束条件，根据所述约束条件，确定其拓扑结构优化变量和优化变量的搜索范围，获得拓扑结构优化空间；S2、在步骤S1确定的拓扑结构优化空间内，确定优化变量的值...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈联盟，黄开宇，刘毅杰，曾一洪，李泽斌，李桅，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：