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背景

索膜结构受力高效、造型优美。但是，运营服役一段时间的索膜结构，空间位形与拉索、膜面张力发生变化，基于原设计图纸与原设计位形的计算模型不再适用，结构的服役性能鉴定、评估成为难题。国内仅有上海市现行地标《膜结构检测技术规程》（DG/TJ08-）适用于既有索膜结构的检测，但索膜结构的鉴定、评价难以找到适用的标准规范，工程实践经验同样缺乏。

本文推广一种基于空间位形指标的在役索膜结构有限元模型修正方法与服役性能评价技术。

01空间位形的获取

在役索膜结构的位形与结构的内部应力状态具有直接联系，因此变形检测或空间位移获取是对索膜结构进行评估的重要基础数据。三维激光扫描可大范围、高精度、高分辨率的，以非接触的方式快速获取目标表面每个采样点的三维坐标数据，精度毫米量级，适用于在役索膜结构现场检测作业中空间位形的测量。

0有限元模型修正

在役结构检测鉴定的工程实践中，基于原始设计资料中的结构几何信息建立结构评价模型仍是通用方法，但上述方法对柔性的索膜结构不再适用，有必要建立适用于在役索膜结构的有限元模型修正方法。

有限元模型修正一般基于结构的静力或动力试验数据，通过调整模型的参数（构件的刚度、材料密度等）使得有限元模型能够更精确地反映结构的实际特性。修正方法多是采用迭代的方法对模型中的相关参数进行调整，优化的一般流程(如下图所示)。

03现场检测试验验证

通过对老百姓进出北京几乎都会路过的首都机场南线收费大棚索膜结构进行现场检测试验，验证本文有限元模型修正方法的有效性。

试验通过全站仪（KON-XSY-11）以及三维扫描仪（PENTAXS-，设备资料见下表）获取结构的位形信息。其它检测、测量项目包括使用全站仪测量结构位形、对部分拉索进行索力测量及其他结构状况检测项目。

项目

参数

型号

PENTAXS-

测量距离

.3m

最小测距

0.3m

分辨率

0.1mm

数据获取速率

≤点/秒

50m线性误差

≤1mm

利用三维激光扫描获取整体结构的点云模型，可提取点云模型中的谷索与环索的坐标信息：首先对密集的点云模型进行5%-10%的采样，在一定程度上去除噪音；之后通过拟合观测球节点重心位置计算节点坐标，大幅减小噪音影响。三维扫描与全站仪的测量结果吻合良好。

有限元建模使用ABAQUS软件，整个模型由梁单元、桁架单元、膜单元构成：两侧桅杆采用了梁单元进行建模，所有的拉索采用T3D的桁架单元进行模拟，膜采用膜单元进行建模。通过温差法对拉索施加预应力，因此在之后的优化过程中，以温度作为优化参数，本质上还是将拉索预应力作为优化参数，结合现场试验时无风的实际情况，不计风荷载，仅考虑重力荷载。

由于三维模型特征点数目较多，选取部分具有代表性的点的坐标值构建目标函数，同时未使用到的特征点可以用来对修正后的有限元模型进行评估。分别选取两条环索与一条谷索上各三个特征点，通过其位置信息建立目标函数。基于Matlab调用ABAQUS模型实现优化迭代，经过次左右的函数计算（主要是用于求解梯度向量、修正海森矩阵），完成7次迭代，最终达到预先设定的迭代精度，完成优化求解。

根据试验测量得到的索力数据，对修正后的模型进行独立验证，同时也对本文提出的有限元模型修正方法的有效性进行验证。结果表明，与修正前模型相比，修正后模型的空间位形、索力与实测值十分接近。因此本文提出的有限元模型修正方法可显著优化有限元模型，使其反映结构真实的服役性态，从而进一步对结构进行准确的性能评价。相比之下，直接使用基于设计位形建立的索膜结构模型，其计算结果将无法反映真实结构性态。

结构安全性评估：

基于修正后的有限元模型，对结构进行承载力计算并得到力分布图及膜面变形云图。评价分析结果表明，该结构各拉索构件的安全性满足要求。

结语

（1）以结构位形构建目标函数，以拉索预应力为修正参数，通过全局搜索与局部优化可实现基于空间位形的在役柔性索膜结构的有限元模型修正。

（）利用现场试验进行方法验证，经过迭代修正，有限元模型的空间位形信息与实测数据吻合良好，更准确地反映了结构真实的服役性态。利用实测索力值进行独立验证，结果表明方法有效可靠且精度较高。

（3）进行索膜结构有限元模型修正，由于优化参数较多及结构非线性特征明显，可能会求解得到局部最优值，可以通过全局搜索筛选迭代起点、缩减优化参数可行域，进而提高优化效率与准确度。

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