空間張弦梁結(jié)構(gòu)的受力分析

空間張弦梁結(jié)構(gòu)的受力分析

1張弦梁結(jié)構(gòu)體系張銀梁結(jié)構(gòu)是一種不同于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新混合屋頂系統(tǒng)。這是一種由剛性構(gòu)件的上、柔性涂層和中間支撐桿組成的混合結(jié)構(gòu)體系。其結(jié)構(gòu)組成是一種新的自平衡結(jié)構(gòu)，是一種很大的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和一個(gè)巨大的預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)體系。它也是混合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展的成功創(chuàng)造。張弦梁結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單、受力明確、結(jié)構(gòu)形式多樣,充分發(fā)揮了剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢(shì),并且制造、運(yùn)輸、施工簡(jiǎn)捷方便,因此被廣泛應(yīng)用。近年來(lái),由于不少大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的建筑不斷出現(xiàn),這給張弦梁結(jié)構(gòu)提供了充分展現(xiàn)的機(jī)會(huì),如1999年上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓(最大跨度82.6m)、廣州國(guó)際會(huì)議中心(最大跨度126.6m)、哈爾濱國(guó)際會(huì)展中心(最大跨度128m)、深圳會(huì)議展覽中心(最大跨度126m)。2張銀梁的結(jié)構(gòu)特征2.1裝載能力高張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)施加的預(yù)應(yīng)力可以控制剛性構(gòu)件的彎矩大小和分布。2.2張弦梁結(jié)構(gòu)的剛度張弦梁結(jié)構(gòu)中的剛性構(gòu)件與索形成的受力體系,其空間受力結(jié)構(gòu)的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純剛性構(gòu)件的剛度,在同樣的使用荷載作用下,張弦梁結(jié)構(gòu)的變形比單純剛性構(gòu)件小得多;而且不似單獨(dú)工作的剛性構(gòu)件需要有很大的截面。2.3水平推力的測(cè)定當(dāng)剛性構(gòu)件為拱時(shí),將在支座處產(chǎn)生很大的水平推力。索的引入可以平衡側(cè)向力,從而減少對(duì)下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的要求,并使支座受力明確,易于設(shè)計(jì)與制作。2.4結(jié)構(gòu)穩(wěn)定張弦梁結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時(shí),由于引進(jìn)了具有抗壓和抗彎能力的剛性構(gòu)件而使體系的剛度和形狀穩(wěn)定性大為增強(qiáng)。2.5建筑造型適應(yīng)性強(qiáng)張弦梁的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔,富于建筑表現(xiàn)力,結(jié)構(gòu)中剛性構(gòu)件的外形可以根據(jù)建筑功能和美觀要求進(jìn)行自由選擇,而結(jié)構(gòu)的受力特性不會(huì)受到影響。3張弦梁結(jié)構(gòu)型式本文以某會(huì)展中心為例,該項(xiàng)目展廳為空間張弦梁結(jié)構(gòu),共計(jì)27榀,跨距和結(jié)構(gòu)形式完全一樣,沿軸線方向布置的單層建筑,跨距81m,柱距9m,單榀結(jié)構(gòu)型式如圖1。3.1拉索及鋼球節(jié)點(diǎn)該鋼屋蓋由大跨度張弦梁和屋架梁組成,張弦梁和屋架梁均為矩形斷面,81m跨張弦梁WJ1截面為1200×600×20×35,兩端高差3450mm,矢高600mm,拉索垂度8300mm,屋架梁GL1截面為500mm×300mm×8mm。WJ1張弦梁的拉索為φ7mm×151mm,撐桿為φ245mm×16mm,上端與張弦梁下翼緣鉸接,下段與φ300mm鋼球節(jié)點(diǎn)鉸接將拉索固定。1)荷載設(shè)計(jì)參數(shù)選擇(1)恒荷載0.4kN/m2(2)活荷載0.5kN/m2(3)吊掛荷載0.3kN/m2(4)風(fēng)荷載0.8kN/m2,地面粗糙度:A類(lèi)(5)地震作用:該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7.5度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮到屋面板的構(gòu)造允許與梁及檁條有一定程度的滑動(dòng),故溫度作用可以不計(jì)。2)計(jì)算工況根據(jù)荷載規(guī)范及本結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮5種最不利荷載組合:(1)1.2×恒載+1.4×活載(3)1.2×恒載+1.4×活載+1.4×0.6×風(fēng)載(4)1.2×恒載+1.4×風(fēng)載+1.4×0.7×活載+1.3×0.2×地震荷載(5)1.2×恒載+1.4×0.5×活載+1.3×地震荷載3.2張弦梁初始預(yù)應(yīng)力的確定給張弦梁的拉索施加一定的預(yù)應(yīng)力,是為了使整個(gè)結(jié)構(gòu)具有一定的剛度,但與懸索結(jié)構(gòu)不同,該預(yù)應(yīng)力并不能為結(jié)構(gòu)提供較高的剛度;同時(shí)由于結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn),初始預(yù)應(yīng)力對(duì)張弦梁的內(nèi)力和初始變形影響較大,因此必須選取合理的初始預(yù)應(yīng)力,主要考慮以下因素:1)在各種工況下,索應(yīng)保持為拉力,且有一定的安全儲(chǔ)備;2)預(yù)應(yīng)力過(guò)小,可能會(huì)使拉索在負(fù)風(fēng)壓的作用下退出工作,不能保證結(jié)構(gòu)的安全;3)預(yù)應(yīng)力過(guò)大,會(huì)給張弦梁施加太大的軸向應(yīng)力和彎矩,從而增加結(jié)構(gòu)的用鋼量,也會(huì)使索張拉施工增大難度;4)最主要不能產(chǎn)生過(guò)大的反拱值。設(shè)計(jì)中主要以張弦梁的反拱量來(lái)控制預(yù)應(yīng)力的大小。3.3張弦梁節(jié)點(diǎn)連接幾何非線性的特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)計(jì)算采用Sap2000大型有限元軟件進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)張弦梁的特點(diǎn),將拱梁離散為空間直梁元,撐桿視為桿元,弦及縱向連接索視為不能受壓的桿元,拱梁與支座處之間連接采用一端鉸支、一端滑動(dòng)的連接方式。所有分析均考慮了幾何非線性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。4節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)4.1滑動(dòng)合成張弦梁自平衡結(jié)構(gòu)為保證結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力自平衡和釋放部分溫度應(yīng)力,張弦梁結(jié)構(gòu)的一端支座采用滑動(dòng)支座(見(jiàn)圖2)來(lái)確保拉索參與整體工作,使索內(nèi)力與上弦梁內(nèi)應(yīng)力共同作用,構(gòu)成一個(gè)自平衡的結(jié)構(gòu)體系。4.2支架和下繩拉索的節(jié)點(diǎn)由于設(shè)計(jì)要求,張弦梁撐桿在張弦梁平面內(nèi)可適當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng),因此撐桿與索的連接處采用了球形節(jié)點(diǎn)。4.3支持桿和上梁的節(jié)點(diǎn)由于下弦索平面外沒(méi)有支撐,因此在撐桿與上弦梁連接處,設(shè)計(jì)為平面內(nèi)可轉(zhuǎn)動(dòng),平面外受限制的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式。本設(shè)計(jì)采用的是鑄鋼節(jié)點(diǎn)。5灌石景觀的設(shè)計(jì)背景和設(shè)計(jì)意義1)該項(xiàng)目張弦梁結(jié)構(gòu)體系采用輕型屋蓋,當(dāng)風(fēng)吸力大于屋蓋自重時(shí),會(huì)引起下弦拉索張力消失而退出工作,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效,因此必須考慮抗風(fēng)設(shè)計(jì);若采用加大拉索預(yù)應(yīng)力,需同時(shí)加大上弦桿截面剛度,效果不一定理想,又不經(jīng)濟(jì),所以考慮在上弦拱梁中灌砂石作為配重。2)計(jì)算結(jié)果以及相關(guān)研究表明,考慮幾何非線性效應(yīng)的結(jié)果和線性分析結(jié)果非常接近,因此在此類(lèi)結(jié)構(gòu)荷載態(tài)的分析可不考慮幾何非線性的影響,即符合小變形的假定。3)在張弦梁結(jié)構(gòu)中,垂跨比和矢跨比對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)的剛度與結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布有直接重大影響,對(duì)地震響應(yīng)影響也較大,需根據(jù)設(shè)計(jì)要求合