張弦梁桁架結(jié)構(gòu)受力性能分析

張弦梁桁架結(jié)構(gòu)受力性能分析

1張弦桁架結(jié)構(gòu)張銀梁結(jié)構(gòu)是由拱、支撐和預(yù)應(yīng)力支撐組成的較大走廊結(jié)構(gòu)。它屬于自平衡結(jié)構(gòu)體系。通常，拱和索是呈直線形狀，當(dāng)上弦梁用空間框架取代時，可以將張銀梁結(jié)構(gòu)的不同抵抗?fàn)顟B(tài)定義為零狀態(tài)，不能作為預(yù)測的釋放狀態(tài)。在初狀態(tài)下，在預(yù)測的作用下，它處于自平衡狀態(tài)。在本文中，我們主要研究了結(jié)構(gòu)負(fù)荷結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。2張弦梁桁架結(jié)構(gòu)在成形根據(jù)對張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的定性分析,本文確定了有可能對結(jié)構(gòu)受力性能產(chǎn)生影響的四個參數(shù),即:初始預(yù)應(yīng)力幅值、矢高比與垂度比、拱截面慣性距(桁架截面高度)和撐桿間距及數(shù)目.這四個參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力性能將產(chǎn)生何種影響也是工程技術(shù)人員十分關(guān)注的問題.張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)在成形后通常會出現(xiàn)以下幾種工況:①恒載;②恒載+活載;③恒載+風(fēng)荷載;④恒載+活載+風(fēng)荷載;⑤恒載+半跨活載.通常,在屋面采用較重屋面的情況下,工況③方向向下;由于大跨度結(jié)構(gòu)通常為對稱施工,本文暫不考慮工況⑤。因此工況②為常見的最不利工況,本文主要研究該種工況.考慮到由施工成形后到正常使用階段的荷載變化,為使結(jié)論更具普適性,本文將外荷載分為三級.其中LOAD3對應(yīng)于工況②,另外取LOAD0=0,LOAD1=13LOAD3,LOAD2=23LOAD31=13LΟAD3,LΟAD2=23LΟAD3.本文參考廣州國際會展中心和哈爾濱會展中心體育館的荷載取值,恒載取1.8kN/m2,活載取0.3kN/m2.計算程序采用作者自行編制的張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)分析程序(已通過檢驗(yàn)),計算過程中考慮了幾何非線性效應(yīng).3初始預(yù)應(yīng)力對上弦桿受力性能的影響算例3.1圖1為一跨度80m的張弦梁結(jié)構(gòu),矢高6.0m,垂度2.5m.已知梁單元彈性模量E=2.1×108kN/m2,截面面積A=0.0349m2,抗彎剛度EI=3.255×106kN·m2;撐桿單元E=2.1×108kN/m2,A=0.005341m2;索單元E=1.8×108kN/m2,A=0.0105m2.張弦梁間距9m布置.給定右端頭20號索段(見圖1)預(yù)拉力分別為0kN、300kN、600kN和1000kN.計算在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力,如圖2、圖3所示.算例3.2圖4為一跨度130m的張弦桁架結(jié)構(gòu),索垂度3.0m,矢高10.2m.已知桁架桿件E=2.1×108kN/m2,截面采用圓形無縫鋼管,如圖5所示;腹桿采用Φ168×6的圓形無縫鋼管;撐桿E=2.1×108kN/m2,A=0.007967m2;索單元E=1.8×108kN/m2,A=0.01574m2.張弦桁架間距12m.給定右端頭30號索段(見圖4)的初始預(yù)拉力分別為0kN、500kN、1000kN、1500kN,計算在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力,如圖6、圖7所示.從圖7可以看出,支座處桿件內(nèi)力隨初始預(yù)應(yīng)力變化曲線均為平行直線,而且基本等間距;上弦桿內(nèi)力變號(初始預(yù)應(yīng)力為0時除外),內(nèi)力最大值較小,受力合理,說明施加初始預(yù)應(yīng)力可以很好地改善上弦桿受力性能;跨中桿件內(nèi)力隨預(yù)應(yīng)力變化曲線特點(diǎn)與支座處桿件相似,所不同的是跨中下弦桿平行直線間距很小,說明外荷載對跨中下弦桿內(nèi)力的影響很小,而初始預(yù)應(yīng)力對張弦桁架跨中下弦桿內(nèi)力起主要影響作用.圖3(d)和圖7(d)說明,索段軸力均隨外荷載、初始預(yù)應(yīng)力的增大線性增大,撐桿軸力也是如此.綜合分析計算結(jié)果可知,初始預(yù)應(yīng)力對張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)的剛度幾乎沒有貢獻(xiàn);預(yù)應(yīng)力可以有效改善桁架上弦桿受力性能,但對拱中的彎矩、剪力和桁架下弦桿內(nèi)力起負(fù)面影響,對拱中軸力、其他弦桿內(nèi)力、索段內(nèi)力和撐桿內(nèi)力有較大影響.張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)成形后,其幾何非線性可以忽略.4load1、load2、load3作用下的變形分布矢高比和垂跨比都對張弦梁結(jié)構(gòu)剛度有重要影響.文獻(xiàn)和分別研究了矢高比和垂跨比與張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)系,得出了矢高比和垂跨比的增大可以提高結(jié)構(gòu)剛度、改善受力性能的結(jié)論,并給出了關(guān)系曲線.本文從另一個角度討論二者與張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的關(guān)系.算例4.1改變算例3.1中結(jié)構(gòu)的矢高與垂度,同時保持其矢高比與垂跨比之和不變,右端頭20號索段的初始預(yù)拉力為600kN,結(jié)構(gòu)其他特性不變,計算結(jié)構(gòu)在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的變形和內(nèi)力,撐桿軸力也是如此見表1、表2.算例4.2改變算例3.2中結(jié)構(gòu)的矢高與垂度,同時保持其矢高與垂度之和不變,右端頭30號索段的預(yù)拉力為1000kN,結(jié)構(gòu)其他特性不變,計算結(jié)構(gòu)在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的變形和內(nèi)力,見表3、表4.從表1和表3可以看出,同時改變張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)的矢高比和垂跨比而保證其和不變,結(jié)構(gòu)的跨中撓度幾乎不變(最大相差1%),而支座處水平滑移變化明顯.說明結(jié)構(gòu)的豎向剛度與矢高比和垂跨比之和直接相關(guān),其和保持不變,結(jié)構(gòu)的豎向變形保持不變;而水平向剛度受結(jié)構(gòu)形狀(主要是索垂度)影響較大.從表2和表4可以看出,同時改變張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)的矢高比和垂跨比而保證其和不變,拱、弦桿、索的內(nèi)力幾乎不變,撐桿的內(nèi)力變化較明顯,但撐桿內(nèi)力通常很小.說明結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布也與矢高比和垂跨比之和直接相關(guān),其和保持不變,結(jié)構(gòu)內(nèi)力保持不變.此外還可以看出,結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力都與外荷載基本呈線性關(guān)系,結(jié)構(gòu)的幾何非線性可以忽略.5截面抗彎慣性矩算例5.1改變算例3.1中梁的截面慣性矩,右端頭20號索段的預(yù)拉力為600kN,結(jié)構(gòu)其他特性不變,計算結(jié)構(gòu)在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的變形和內(nèi)力,見圖8、圖9.算例5.2改變算例3.2中結(jié)構(gòu)的桁架截面高度,右端頭30號索段的預(yù)拉力為1000kN,結(jié)構(gòu)其他特性不變,計算結(jié)構(gòu)在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的變形和內(nèi)力,見圖10、圖11.從圖8和圖10可以看出,增大拱截面抗彎慣性矩或桁架截面高度可以減小結(jié)構(gòu)的撓度和水平滑移,提高結(jié)構(gòu)的剛度;而且,張弦桁架結(jié)構(gòu)變形隨桁架高度的變化基本呈線性關(guān)系.從圖9可以看出,支座處拱軸力和跨中拱軸力相差不大,所以拱軸力沿跨度變化不大,增大拱截面抗彎慣性矩可以減小拱的軸力;增大拱截面抗彎慣性矩可以大幅度減小拱的彎矩和剪力,從而改善結(jié)構(gòu)的受力性能,當(dāng)拱截面慣性矩足夠大時,拱中彎矩和剪力會變號,如Iz=0.1240m4時;增大拱截面抗彎慣性矩還可以減小撐桿和索的內(nèi)力.從圖11可以看出,增大桁架截面高度可以有效減小弦桿、撐桿和索的內(nèi)力,尤其是隨荷載變化不大的跨中下弦桿軸力;反之,如果拱截面抗彎慣性矩(桁架截面高度)太小,拱可能壓彎破壞,桁架下弦桿可能受壓破壞,如Iz=0.0078m4和h=1.6m時.另外,從圖9還可以看出,改變拱截面抗彎慣性矩不會改變初始預(yù)應(yīng)力在張弦梁結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力分布.這是因?yàn)閺埾伊航Y(jié)構(gòu)為一次超靜定結(jié)構(gòu),在給定某一根索段內(nèi)力時,其他索段的內(nèi)力求解即轉(zhuǎn)變?yōu)殪o定結(jié)構(gòu)求解問題.總之,增大拱截面抗彎慣性矩或桁架截面高度可以有效提高結(jié)構(gòu)的剛度,有效減小拱軸力、彎矩、剪力和弦桿內(nèi)力,尤其是隨外荷載變化不大的跨中下弦桿軸力,從而改善結(jié)構(gòu)受力性能.即使拱截面抗彎慣性矩或桁架截面高度很小(桁架高度與跨度比0.012～0.022),結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力仍隨外荷載基本呈線性關(guān)系,因此結(jié)構(gòu)的幾何非線性可以忽略.6豎向撐桿數(shù)目對結(jié)構(gòu)的影響算例6.1改變算例3.1中結(jié)構(gòu)的撐桿間距和數(shù)目,右端頭20號索段的預(yù)拉力為600kN,結(jié)構(gòu)其他特性不變,計算結(jié)構(gòu)在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的變形和內(nèi)力,見圖12、圖13.算例6.2改變算例3.2中結(jié)構(gòu)的豎向撐桿間距和數(shù)目,右端頭30號索段的預(yù)拉力為1000kN,結(jié)構(gòu)其他特性不變,計算結(jié)構(gòu)在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的變形和內(nèi)力,見圖14、圖15.從圖12、圖13和圖14、圖15可以看出,當(dāng)撐桿數(shù)目較少(如1、3、4、5、7)時,結(jié)構(gòu)的變形以及拱、弦桿和索的內(nèi)力變化較大;當(dāng)撐桿數(shù)目較大(10個左右以及更多)時,結(jié)構(gòu)的變形以及拱、弦桿和索的內(nèi)力幾乎不隨著撐桿數(shù)目變化而改變.通常情況下,無論撐桿數(shù)目多少,結(jié)構(gòu)的幾何非線性都可以忽略.另外,撐桿數(shù)目的變化會直接影響撐桿內(nèi)力,如圖16所示。撐桿的內(nèi)力隨著撐桿數(shù)目的減少而迅速增大(尤其是撐桿數(shù)目較少時),甚至有可能出現(xiàn)撐桿軸心受壓破壞,如1個撐桿時。而通常情況下,撐桿軸力較小,設(shè)計時主要是剛度控制。7結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響(1)如果保持矢高比和垂度比兩者之和不變,則結(jié)構(gòu)豎向剛度不變,即影響張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)豎向剛度的主要因素是結(jié)構(gòu)矢高比和垂跨比之和.拱截面抗彎慣性矩(桁架截面高度)對結(jié)構(gòu)豎向剛度也有一定的影響.初始預(yù)應(yīng)力、撐桿的間距、數(shù)目及布置方式(通常情況下)對豎向剛度的影響可以忽略;(2)對結(jié)構(gòu)水平剛度影響較大的參數(shù)是垂跨比和拱截面抗彎慣性矩(桁架截面高度),其他參數(shù)影響不大;(3)初始預(yù)應(yīng)力、拱截面抗彎慣性矩(桁架高度)對拱中剪力、彎矩、桁架下弦桿內(nèi)力起主要影響作用,是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的控制因素;對其他構(gòu)件,如索、桁架上弦桿的內(nèi)力也有較大影響.矢高比與垂跨比之和、撐桿的間距、數(shù)目和布置方式(通常情況下)對結(jié)構(gòu)內(nèi)力無明顯影響;(4)在張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)成形后,其變形和內(nèi)力隨外荷載基本呈線性變化,其幾何非線性可以忽略.最后,結(jié)合本文研究工作,提出如下設(shè)計建議.張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力可以很好地改善部分構(gòu)件的受力性能,比如桁架上弦桿.但是,對其他部分構(gòu)件內(nèi)力有很大負(fù)面影響,尤其是拱中剪力、彎矩、桁架下弦桿內(nèi)力等,而且這部分構(gòu)件內(nèi)力幾乎不受外荷載影響,因此初始預(yù)應(yīng)力的取值不宜過大,否則張弦梁跨中拱截面將出現(xiàn)壓彎破壞,張弦桁架跨中下弦桿將出現(xiàn)軸壓破壞.由于張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)一般跨度很大,結(jié)構(gòu)相對較柔.因此,張拉成形、吊裝完成后,安裝檁條、屋面板、設(shè)備等會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的豎向變形,影響結(jié)構(gòu)的標(biāo)高.而建筑標(biāo)高通常是指正常使用時的