張弦梁結(jié)構(gòu)有限元分析

張弦梁結(jié)構(gòu)有限元分析

1.張弦梁結(jié)構(gòu)體系的理論研究大傾角結(jié)構(gòu)（bss）是過去10年來發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)由剛度較大的抗彎構(gòu)件(剛性構(gòu)件,通常為梁、拱或桁架)和高強(qiáng)度的弦(柔性構(gòu)件,通常為索)以及連接兩者的撐桿組成;通過對柔性構(gòu)件施加拉力,使相互連接的構(gòu)件成為具有整體剛度的結(jié)構(gòu)。由于綜合應(yīng)用了剛性構(gòu)件抗彎剛度大和柔性構(gòu)件抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn),張弦梁結(jié)構(gòu)可以做到結(jié)構(gòu)自重相對較輕,體系的剛度和形狀穩(wěn)定性相對較好,因而可以跨越很大的空間。張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種新型的空間結(jié)構(gòu)型式,雖然已經(jīng)應(yīng)用于諸多實(shí)際工程中,但是關(guān)于其理論和試驗(yàn)的系統(tǒng)研究尚少有涉足,并很少出現(xiàn)在可查的文獻(xiàn)中。已見報(bào)道的研究包括:利用商用或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序,分析撐桿數(shù)目、矢跨比、梁弦剛度比、弦的預(yù)拉力和邊界約束條件等參數(shù)對成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)性能的影響;對浦東國際機(jī)場候機(jī)樓張弦梁屋蓋進(jìn)行縮尺和足尺模型試驗(yàn),比較全面地分析了張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉階段和使用階段的受力性能;通過地震振動(dòng)臺模型試驗(yàn),初步分析了張弦梁結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)在地震下的動(dòng)力反應(yīng)特征。以上研究使人們對張弦梁的受力性能有了比較清楚的認(rèn)識,為張弦梁的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考依據(jù)。但是這些研究主要集中在張弦梁結(jié)構(gòu)成形后的參數(shù)分析或僅針對某一實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析,對張弦梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用尚不具備普遍的參考價(jià)值。2.梁結(jié)構(gòu)建模與阿斯斯-開元分析2.1建立有限模型2.1.1拱梁有限元模型單向張弦梁結(jié)構(gòu)由拱梁(張弦桁架)、撐桿、弦及縱向連接索4個(gè)部分組成(如圖1)。本文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;邊界條件為拱梁一端視為鉸支座、另一端為可沿著X方向移動(dòng)的滑動(dòng)支座,縱向連接索固定于邊界,然后直接用通用有限元分析軟件ANSYS5.7進(jìn)行分析。2.1.2計(jì)算模型及彈性模量本文選擇了20m×20m和40m×40m兩類張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,以分析20m×20m的張弦梁為主。①20m×20m的張弦梁,根據(jù)材料尺寸分成3種模型,見表1。每一拱梁分成20個(gè)直梁元,計(jì)算模型共有79個(gè)節(jié)點(diǎn),60個(gè)梁元,9個(gè)可受壓桿元和36個(gè)不可受壓桿元。其中,預(yù)應(yīng)力的單位為MPa,拱梁和撐桿的彈性模量取2.06e+5MPa,弦和縱向連接索的彈性模量取1.8e+5MPa,撐桿采用68直徑3厚的鋼管。②40m×40m的張弦梁為了進(jìn)一步了解BSS在更大跨度時(shí)的性能,本文對40m跨的BSS進(jìn)行了計(jì)算。拱梁均采用351直徑16厚度的鋼管,撐桿采用89直徑3.5厚的鋼管,下弦采用7×7的4直徑高強(qiáng)鋼索,預(yù)應(yīng)力取600MPa,鋼管的彈性模量取2.06e+5MPa,鋼索的彈性模量取1.8e+5MPa。其他材料選用情況見表2。2.1.3設(shè)計(jì)負(fù)荷2.2預(yù)應(yīng)力值的大小預(yù)應(yīng)力的主要作用是抵消一部分使用荷載產(chǎn)生的彎矩作用,使結(jié)構(gòu)的撓度減小。但隨著預(yù)應(yīng)力的增加,預(yù)應(yīng)力對拱梁產(chǎn)生的額外軸向壓力也在不斷增大,反而增加用鋼量。相反,如果預(yù)應(yīng)力過小,而風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)自重相比較大且為主要吸力時(shí),在風(fēng)荷載的吸力作用下,弦索就有可能失去拉力退出工作,對結(jié)構(gòu)內(nèi)各桿件的協(xié)同工作十分不利。因此預(yù)應(yīng)力值的大小對于整個(gè)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和用鋼量都有至關(guān)重要的影響。本文按下式計(jì)算預(yù)應(yīng)力:,各字符意義見圖2,q0為結(jié)構(gòu)自重,即預(yù)應(yīng)力值大致抵消結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彎矩,參見文獻(xiàn)4。2.3計(jì)算目①拱梁截面面積、截面慣性矩、弦的預(yù)應(yīng)力和面積對結(jié)構(gòu)剛度的影響;②縱向連接索的預(yù)應(yīng)力對剛度的影響;③跨度對于拱梁截面尺寸的影響。2.4建立模型及邊界條件本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS5.7對BSS的各類模型按各種荷載工況進(jìn)行分析。建立模型如圖3,荷載及邊界條件定義參照2.1.1的定義。本文考慮為了避免施加預(yù)張力過程中對拱梁和撐桿的影響,采用了等效應(yīng)變法來給弦和索施加預(yù)張力。2.5有限分析的求解對模型進(jìn)行ANSYS有限元分析,本文的分析對象為2.5.1在20m20mbss具體參數(shù)見表1中①模型1不加預(yù)張力,此為控制模型;②模型1加預(yù)張力;③模型2加預(yù)張力;④模型3加預(yù)張力。2.5.2弦梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)通過比較模型1、模型2、模型3、模型4的計(jì)算結(jié)果及變形圖并分析,發(fā)現(xiàn)隨著截面面積和截面慣性矩的增大,結(jié)構(gòu)剛度提高。但總的來說,對于張弦梁而言,增加結(jié)構(gòu)剛度采用增大拱梁截面面積和截面慣性矩的方法是不利的。應(yīng)當(dāng)通過傳統(tǒng)方法,比如提高拱梁的矢跨比來提高結(jié)構(gòu)整體剛度。由上述分析,可得出以下結(jié)論:a.弦梁結(jié)構(gòu)受力合理,自重輕,構(gòu)造簡單,施工方便,能夠達(dá)到較大跨度,因?yàn)椴捎昧祟A(yù)應(yīng)力,既保證了結(jié)構(gòu)具有足夠的豎向剛度,又能節(jié)約一定的材料用量。b.預(yù)應(yīng)力的主要作用是抵消一部分使用荷載產(chǎn)生的彎矩作用,使結(jié)構(gòu)的撓度減小,然而隨著預(yù)應(yīng)力的增加,其對拱梁產(chǎn)生的額外軸向壓力也在不斷增大,反而增加了拱梁截面。如果預(yù)應(yīng)力過小,而風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)自重相比較大且為主要吸力時(shí),在風(fēng)荷載的吸力作用下,弦索就有可能失去拉力退出工作。因此預(yù)應(yīng)力值的大小對于整個(gè)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和用鋼量都有至關(guān)重要的影響。c.提高拱梁截面面積、截面慣性矩,增大弦的預(yù)應(yīng)力和弦的面積,均能提高結(jié)構(gòu)剛度,但提高拱梁截面面積和截面慣性矩會降低結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)效益。d.縱向連接索的預(yù)應(yīng)力增大,會使結(jié)構(gòu)剛度降低,所以縱向連接索的預(yù)應(yīng)力不宜過大,只要其在工作過程中不松弛即可。e.隨著跨度增大,拱梁截面尺寸也相應(yīng)增大,所以對于大跨度情況,拱梁可采用組合結(jié)構(gòu),如張弦桁架形式。3.模型分析和計(jì)算不足3.1文中將風(fēng)荷載按危險(xiǎn)作用方向單向考慮,而實(shí)際作用比較復(fù)雜。在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中應(yīng)按不同方向單獨(dú)作用和共同作用分別考慮,以更接近實(shí)際情況。3.2選擇模型數(shù)較少。本文只對4種模型進(jìn)行了分析和計(jì)算,代表性略顯不足。3.3模型跨度較小,與實(shí)際應(yīng)用中的大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)有一定的差距。不同跨度、不同矢跨比的模型在經(jīng)濟(jì)效益、剛度等方面存在一定的差距,其在用鋼量上