张弦梁设计入门

张弦梁设计张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景。张弦梁结构的受力机理目前，普遍认为张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。所以，张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的桁架或拱而使体系的刚度和稳定性大为加强。并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。如果在施工过程中适当的分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少的最小限度。张弦梁结构的分类张弦梁结构接受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构。直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。空间张弦梁结构是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张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构。单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面的屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了纵横向的空间受力体系，该结构适用于矩形、圆形、椭圆形等多种平面屋盖结构。多向张弦梁结构是平面张弦梁结构沿多个方向交叉布置而成的空间受力体系，该结构形式适用于圆形和多边形平面的屋盖结构。辐射式张弦梁结构是由中央按辐射状放置上弦梁，梁下设置撑杆用环向索而连接形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。张弦梁结构的形态定义张弦梁结构像悬索结构等柔性结构一样，根据张弦梁结构的加工、施工、及受力特点。通常也将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态。零状态，是拉索张拉前的状态，实际上是构件加工和放样形态，通常也叫结构放样态。初始态，是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态，通常也叫预应力状态。初始态是建筑施工图中明确的结构外形。（包括在自重作用下）荷载态，是外荷载作用在初始态结构上发生变形后大平衡态。如果张弦梁结构的上弦构件按照初始形态给定的几何参数进行加工放样，那么在张拉拉索时，由于上弦构件刚度较弱，拉索的张拉势必会引导撑杆使上弦构件产生向上的变形，当张拉完毕后，结构上弦构件的形状将偏离初始形态，从而不满足建筑设计的要求。因此，张弦梁结构上弦构件的加工放样通常要考虑张拉产生的变形影响，这也是张弦梁结构需要进行形态定义的原因。张弦梁结构中的预应力作用张弦梁结构是通过撑杆连接梁（拱）和索而形成的一种新型杂交结构形式，通过对下弦索施加预应力可以使结构形成整体共同参加工作。下弦索的预应力，通过撑杆使梁产生与使用荷载作用时相反的位移，从而部分抵消了外荷载的作用；联系索与梁之间的撑杆对于上弦梁起到了弹性支撑的作用，可以减小上弦梁的弯矩；同时，下弦索负担外荷载对上弦梁产生的外推力，从而不会对边缘构件产生水平推力，整体结构形成自平衡体系。通常认为随着预应力的增大，结构的变形将减小；已有的一些对张弦梁结构的研究工作也得出类似结论，认为增大预应力可以有效的减小变形和上弦梁的正应力，有益于结构性能的改善。但是，分析该结构，必须区分其在施加预应力前后的状态，即零状态和初始态，本文定义零状态为体系在无自重、无预应力作用时的放样状态；初始态为体系在自重和预应力作用下的自平衡状态。为求解零状态几何参数和初始态预应力分布提出了逆迭代法，但是无法在此基础上连续进行承受外荷载作用下的分析。因而以往的一些对张弦梁结构力学性能的研究并未区分这两种状态，同时对预应力张拉过程中的位移（初始态位移）和承受使用荷载作用下的位移（荷载态位移）也未区分，这就可能造成对该结构力学性能的误识。可以说，预应力的增大对于张弦梁结构位移的影响是很小的，尤其对竖向位移而言，更是微乎其微；在大跨度的情况下，由于仅仅依靠上弦梁的刚度是不足以抵抗结构自重和外荷载的，所以要通过预应力这个媒介，使梁、索、杆形成整体参与工作，从而使结构的整体刚度大大增加；但是单就预应力本身来讲，它的增大导致所有内力项都增大，但并不能有效地增加结构的刚度，所以预应力所起的作用主要就是使屋架形成整体结构。就预应力对张弦梁结构内力的影响来看，预应力的增大会导致结构所有内力项都相应增大，对于上弦梁的主要内力项弯矩的影响尤为显著，这是不利于结构受力性能的改善的。所以，在实际工程中预应力的取值必须合理，该取值范围应当是在使结构形成整体的时候，初始态至荷载状态的过程中，应尽可能地减小上弦梁的弯矩和轴力。大跨度预应力张弦钢管桁架的应用张弦梁结构是最近几年发展起来的一种新型的大跨度钢结构，随着现代建筑美学的发展和使用功能的要求，现在的结构物跨度越来越大。对于大跨度或较大跨度的结构物大多采用钢结构，当然也有用“膜”完成的，但充气膜由于一些缺点近年来很少用，张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。大跨度钢结构多用于多功能体育场馆、会议展览中心、博览馆、候机厅、飞机库等。预应力钢结构因其良好的受力性能和广阔的应用前景已经越来越得到人们重视。张弦梁结构由弦、撑杆和压弯构件组合而成的新型自平衡体系。它充分利用高强索的强抗拉性改善了整体结构受力性能，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好应用价值和前景的新型结构形式。我国大跨度张弦梁结构刚刚开始采用。其代表性工程为已经建成使用的上海浦东国际机场航站楼钢屋架和正在建设中的广州国际会议展览中心展览大厅钢屋架。预应力张弦桁架结构受力明确、合理，刚度大、重量轻、杆件类型少、制作安装方便，能够达到很大的跨度。张弦梁结构的分析通常采用有限单元法。张弦梁结构在荷载态的结构受力性能符合小变形的假定，因此可以不考虑结构的几何非线形的影响。对于跨度较大的张弦梁结构，出于对上弦构件放样尺寸精确性的考虑，建议考虑几何非线性的效应，因此需要采用非线性有限元方法进行分析。对于上弦构件，如果为实腹式或格构式构件，一般定义为梁单元，如果上弦构件为桁架，通常将桁架中的杆件定义为杆单元，当结构中只存在竖向撑杆时，在实际工程中往往在下弦拉索与撑杆连接处采用铰接节点。为防止预应力松弛，连接处采用夹具装置使其中的索小能滑动，因此，结构分析时将在节点处分段，每段按直线拉索单元处理，如果腹杆采用的是交叉腹杆，且拉索可以绕下弦节点滑动，这时应该按折线索处理。本论文中研究的主要是只有竖向撑杆的张弦析架结构，所以上弦构件选为杆单元，索选为直线索单元，又由于结构中拉索仅承受张拉力，不受弯矩和剪力，因此可将拉索单元的变形曲线认为是直线。由上图的内力平衡关系可看出，影响张弦梁受力和变形性质的主要因素有跨度、撑杆间距、上弦矢高和下弦垂度、预应力的大小、撑杆数目、垂跨比、高跨比、拱的惯性矩、拱的面积、弦的面积和拱的截面形式等参数。大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析在近一二十年来，预应力钢结构因其良好的受力性能和广阔的应用前景已经越来越得到人们重视，并在大跨度、大柱网的公共和工业建筑中得到广泛应用。张弦梁结构是最近几年发展起来的一种新型的大跨度预应力钢结构形式，它是由弦、撑杆和压弯构件组合而成的新型自平衡体系。它充分利用高强索的强抗拉性改善整体结构受力性能，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系。上海浦东国际机场航站楼钢屋架和广州国际会议展览中心展览大厅钢屋盖。一般是因建筑师根据建筑设计要求以及地区的实际情况，同时考虑到发挥材料的效率，并且为了确保建筑内部空间而使用张弦梁结构形式。张弦梁结构的受力机理为：通过在下弦拉索中施工加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减小，而撑杆对下弦的压弯构件提供弹性支承，改善结构的受力性能。上弦的压弯构件一般采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分利用高强索的强抗拉性改平衡。充分发挥了每种构件材料的作用，是大跨度空间结构中典型的刚柔结合的混合结构体系。张弦梁的设计主要是三个参数的分析确定：刚性构件的矢跨比，张拉弦的垂跨比（即：上弦矢高和下弦垂度）、撑杆数量、预应力度。矢高即主拱圈从拱顶到拱脚的高差。具体分为计算矢高和净矢高两种。净矢高即拱顶下沿与拱脚间高差，用f0表示，计算矢高即拱轴线上拱顶与拱脚（起拱线）间高差。张弦梁的几何形状的影响，即垂跨比对结构性能的影响，垂跨比为结构的垂度和跨度的比值，即上图中的h/L。注意它与高跨比的区别。高跨比为结构的矢高与跨度的比值（矢跨比）。即上图中的f/L。矢高对杆件内力、位移、用钢量等有显著影响。因此，矢跨比是大跨度钢桁架结构研究的一个重要因素，根据已有研究成果，合理的跨度与高度之比一般在10〜15之间。随着垂跨比的增加结构的挠度减小，当增加到某一垂跨比时，结构开始起拱，且起拱值不断增大，可见适当的增加垂跨比对结构位移影响是有利的。但是过大就无益了，在荷载作用下，结构仍产生反拱，就造成浪费，另外过大的起拱值可能使结构在初始时失稳，所以结构的垂跨比不应太大。垂跨比一般为1/10〜1/20。随着垂跨比的增大结构桁架梁上弦杆的轴压力减小，下弦杆的轴力由拉力向压力过渡；另外随着垂跨比的增大下弦索内拉力减小，从发挥索的高强抗拉性能角度上，增大垂跨比还是不利的，因此垂跨比的选择要适当。张弦梁作为一种平面梁式结构，其主要受力特点是抗弯能力，而抵抗弯矩的大小主要与张弦梁的跨中高度有关。跨中矢高为（f+h）如图，h为垂度，垂跨比为入=h/L；f为拱高，高跨比为八二f/L。通过对9与人的不同取值分析，得出了大致相同的结论，认为随人疝人的增大，所有内力几乎呈线性减小，因而增大入入和人可以改善结构受力性能，但同时确定垂跨比与高跨比应该考虑建筑效果与使用功能，不宜过大。撑杆数量撑杆是张弦析架组成的重要构件，目前对撑杆的研究主要有如下结论：）1撑杆数目具体多少应由结构稳定和具体构造要求确。2）对于单榻张弦彬架，若取撑杆间距相同，可能会出现两端起拱而中部下陷的情况，要避免这种可能，使结构在使用时起拱值一致，则两端的撑杆间距应大于中间的撑杆间距，为了使撑杆间距相等，可通过改变拱梁的刚度来控制挠度，将每段拱梁的挠度差值控制在可接受的范围内。3）撑杆数目超过一定数值后，结构受力改善不明显，而用钢量随跨度的增大，几乎呈线形增大，所以撑杆数目不能太多。随着撑杆数量的增加结构竖向位移减小，这反映了撑杆对上弦桁架梁提供了弹性支承的作用。当撑杆数量超过某一数值时，结构上弦桁架梁中出现受拉杆，拉力随撑杆数量的增多而增加，因此撑杆的过多对结构受力有不利影响。故撑杆数量选择要适当，并非越多越好。垂跨比的变化对结构节点位移影响较大，随着垂跨比的增大，结构的挠度减小，但当垂跨比增大到某一数值时，会使结构在荷载态时仍有较大的反拱，这对结构的稳定性是不利的。上弦桁架梁跨中附近处上下弦杆的轴力对垂跨比变化的反应比较敏感，随着结构垂跨比的增大，上弦杆压力减小，下弦杆压力增大，这样的内力变化是不利的。因此垂跨比的选取应该适当。通过对施加不同大小预应力对张弦梁结构受力性能的影响分析，可得出以下结论：（1）一般情况下，张弦梁结构的几何非线性影响并不明显。只有当拱梁刚度较小，施加预应力值较大时，张弦梁结构在预应力阶段才表现出一定的非线性性质。（2）当预应力刚好能抵消掉竖向荷载产生的挠度时，桁架梁有一定的水平缩短量，预应力并不能完全抵消结构在荷载作用下产生的变形。从尽量减少不同工况下结构偏离建筑构形的角度考虑，预应力值应取略小一些。（3）张弦梁结构对不对称荷载反应敏感对于对称或基本对称结构，任何不对称荷载都可分解为对称（或基本对称）和反对称（或基本反对称）荷载。张弦梁结构对反对称荷载的反应比较敏感，其原因在于：在结构上作用反对称荷载时，弦和撑杆的内力几乎不变，所有反对称荷载几乎全部由拱梁承担。在本文算例中，由于左风荷载分布十分不对称，其反对称荷载部分起主要作用，从而导致结构的位移内力反应敏感。（4）施加正预应力时，随着预应力值的改变，结构总用钢量的变化并不大。可见，预应力的主要作用在于调节结构在使用荷载作用下的变形。预拉力确定索