张弦梁结构的研究
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摘要:张弦梁结构由于其自身承载能力高,结构变形小,为自平衡结构,稳定性好及建筑造型灵活等优点,在国内外的大跨度结构设计中得到广泛的应用。就张弦梁结构的国内代表工程,形式与分类,结构性能与受力特性及找形分析进行概要阐述。
关键词:张弦梁结构;结构性能;受力分析;找形
中图分类号:TU
文献标识码:A
文章编号:1672-3198(2010)21-0318-02
1 张弦梁结构在我国的代表工程
从20世纪90年代后期张弦梁结构在我国工程上首次应用于上海浦东国际机场航站楼的建设到2008年奥运会国家体育馆(双向张弦空间网格屋面结构)的建成,经历了30多年的发展。迄今为止,主要的代表工程有三个,均采用平面张弦梁结构。
1.1 上海浦东国际机场航站楼
该结构工程由主楼,高架进厅和登记长廊三部分四跨组成大跨度钢屋盖结构支撑现浇混凝土多层框架结构。主楼和高架进厅为连续三跨,屋架跨度由东向西分别为48米,80米和42米。纵向长度为411.6米,下弦为高强度钢索的梭子形钢屋架高低搁置,低端支撑在混凝土框架大梁上,高端通过托架支撑在呈倾斜状态的钢柱上。登机长廊跨度52米,屋架间距9米,主楼钢柱间设支撑索,长梁跨内设索群。
1.2 广州国际会展中心的屋盖结构
2002年建成,该屋盖张弦梁结构的一个重要特点是其上弦采用倒三角断面的钢管立体桁架。跨度为126.6米,纵向间距为15米,下弦拉索采用高强度低松弛冷拔镀锌钢丝。
1.3 黑龙江国际会议展览体育中心主馆屋盖结构
该建筑中部由相同的35榀128米跨的预应力张弦桁架覆盖,桁架间间距为15米。该工程张弦梁结构与广州国际会展中心的区别是拉索固定在桁架固定在桁架上弦节点,而没有固定在下弦支座处。张弦梁的低端支座支撑在钢筋混凝土剪力墙上,高端支座下为人字形摇摆柱。下线拉索采用冷拉镀锌钢丝。
2 张弦梁的形式与分类
张弦梁主要分为平面张弦梁结构与空间张弦梁结构。前者是指结构位于同一平面内,且以平面受力为主的结构。该结构又可分为直梁型张弦梁,拱形张弦梁和人字形张弦梁。直线型张弦梁是通过拉索和撑杆提供弹性支撑,从而减小上弦构件的弯矩。该结构主要适用于楼板结构和小坡度屋面结构。拱形张弦梁结构除了拉索和撑杆为上弦构件提供弹性支承,减小拱上弯矩的特点外,由于拉索张力可以与拱推力相抵消。一方面,充分发挥可上弦拱的受力优势,另一方面,充分利用了拉索抗拉强度高的特点。该结构主要适用于大跨度甚至超大跨度的屋盖结构。人字形张弦梁结构主要用下弦拉索来抵消拱两端的推力,通常情况下,起拱较高。该结构主要适用于跨度较小的双坡屋盖结构。空间张弦梁结构以平面张弦梁结构为基本组成单元,通过不同形式的空间布置所形成的以空间首例为主的张弦梁结构。空间张弦梁结构可以分为单向张弦梁结构,双向张弦梁结构,多向张弦梁结构,辐射式张弦梁结构。单向张弦梁结构主要适用于矩形平面的屋盖。双向张弦梁适用于矩形,圆形及椭圆形等多种平面的屋盖。多向张弦梁结构主要适用于圆形和多边形平面的屋盖。辐射式张弦梁结构主要适用于圆形或椭圆形平面的屋盖。
3 张弦梁结构的结构性能与受力特性
3.1 结构性能
如果排除拉索超张拉在结构产生的预应力,平面张弦梁结构的受力特性与简支梁的受力特性相同。从截面内力情况来看,张弦梁结构与简支梁一样需要承受整体弯矩和剪力效应。根据截面内力平衡关系可知,张弦梁结构在竖向荷载作用下的整体弯矩由上弦构件的压力和下弦拉索的拉力所形成的等效力矩来承担。由于张弦梁结构中通常只布置竖向撑杆,从两根竖向撑杆之间截面内力平衡关系来看,其整体剪力基本上由上弦构件承担。因此,上弦构件除了承受整体弯矩效应产生的压力外,还承受剪力以及剪力产生的局部弯矩效应。
3.2 受力特性
对于张弦梁的受力特性一般存在四种不同的理解。普遍认为,张弦梁结构通过张拉下弦高强度拉索使得撑杆产生向上的力,导致上弦构件产生与外荷载作用下相反的内力和变形,从而降低上弦构件的内力,减小结构的变形。另一种理解是认为张弦梁结构是在双层悬索体系中索桁架基础上,将上弦索替换成刚性构件产生。这样处理的好处是由于上弦刚性构件可以承受弯矩和压力,一方面可以提高桁架的刚度,另一方面,结构中构件内力可以在其内部平衡(自相平衡体系)而不需要支撑系统的反力来维持。第三种理解是将张弦梁结构看做为拉索替换常规平面桁架结构的受拉下弦而产生的结构体系。这种替换的优点是桁架的下弦拉力不仅可以由高强度拉索来承担,更为重要的是可以通过张拉拉索在结构中产生预应力,从而达到改善结构受力性能的目的。还有一种理解是将张弦梁结构看作为体外布索的预应力梁或桁架,通过预应力来改善结构的受力性能。
4 张弦梁结构的找形分析
所谓的找形分析就是传统力学问题的逆问题,它是要求满足平衡条件的形状而不是满足变形协调条件的平衡,即以几何零状态为基础对预应力态和加载态进行形状判定和力判定,确定施加预应力以后结构的几何位形及内力分布。
文献提出了逆迭代法经行张弦梁的找形。逆迭代法实际上是一种非常自然的思路:既然设计蓝图上的张弦梁几何尺寸是初状态(预应力张拉完毕时结构的状态)的尺寸,那么就可以以此初状态尺寸为近似零状态尺寸建立有限元模型,然后对其施加预应力(预应力值按设计要求)进行张拉,得到近似初状态。然后将此近似初状态的几何尺寸与设计图中真正的初状态的几何尺寸的差值反向增加到原有限元模型的节点坐标上,作为近似初状态重新建模,并再次进行张拉,如此循环迭代,直到近似初状态与初状态的坐标差值足够小,即可视此近似初状态为初状态,而由之张拉而来的近似零状态为要求的零状态。如此既可得到零状态几何尺寸(施工人员据此放样),又可得到初状态的内力、应力分布,从而完成找形工作。实践证明,只需进行次数不多的迭代,就可达到足够的找形计算精度。由于逆迭代法需要多次的非线性迭代及试算,要求有一定的计算经验,才能减少试算次数。并且,在这种方法中以固定的力来代替结构中的索,结构的刚度并未考虑索的贡献。找形结束后,模型不能直接应用于结构的后续荷载分析。
文献应用了ANSYS基于逆迭代法的原理对一榀单向张弦梁进行找形。该方法适用于上部为型钢梁的平面张弦梁结构,要求结构具有对称性。实际上,上弦梁的形式通常是立体桁架。在桁架中由于斜腹杆的存在使结构产生不对称的位移。当应用ANSYS中的UPGEOM命令时,将使变形误差得到积累,而给下一次的计算增加了结构的初始变形缺陷,在非线性计算时结构将由于失稳而停止,计算过程中仍然需要重新建立模型;计算中依然以力代索,没有考虑索的刚度,模型不能直接应用于后续分析。
非线性有限元法基本过程:以施加预应力前的结构的位形为初始位形,设定拉索中的预应力。此时,结构的初始位形不能满足结构的平衡条件,于是在节点处产生了不平衡的力,在该不平衡力的作用下,结构产生位移,从而得到结构新的位形。经过多次迭代计算,节点不平衡力趋近与零,结构达到平衡状态,以此时结构的几何位形及内力分布为基础,进行静力,动力和非线性屈曲分析。
5 结语
目前对于张弦梁结构设计中的选型,受力性能,结构性能,预应力设置及找形分析等方面的研究比较成熟。然而,对于张弦梁结构的抗风设计及抗震设计还有待研究。由于本文讨论的基本上是单榀平面张弦梁结构,此外,对于空间张弦梁结构比如空间双向、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构其受力性能,有待更进一步的分析和研究。
参考文献
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