斜拉结构在实际工程中的应用

斜拉结构在实际工程中的应用

0不同类型结构的建筑造型随着现有单一结构形式的需求，斜率结构是一种广泛使用的结构形式，采用了结构复杂、新建筑造型和不同类型结构的优化组合。而现今国内外对斜拉结构的研究多集中于斜拉桁架、斜拉网架结构,对斜拉网壳结构的研究较少,因此,对斜拉网壳结构的分析研究具有一定的工程指导意义。1网壳上弦节点根据青岛某嘉年华项目门厅屋盖采用的正交正放双层柱面网壳结构,笔者所选结构模型尺寸分别取为:网壳跨度为100m,长度为100m,网格大小为4×4(m),网壳厚度2m,结构杆件均采用圆钢管,上下弦杆件截面Φ219×8,腹杆Φ102×4;每隔20m处设置塔柱,塔柱所在拱壳部分局部加强,上弦杆件截面Φ299×6,下弦Φ219×8,腹杆Φ102×4;塔柱选用圆钢管截面为Φ1500×80。主体网壳结构两纵边边界上弦节点放置在塔柱上。纵边边界上各有6根塔柱,共12根,塔柱上段柱高30m,柱底为固定端支座。每根塔柱柱顶设置前索和背索,前索与网壳上弦节点相交,背索下端锚固于地面,为铰接约束。静力计算时的荷载作用在网壳上弦节点,仅考虑荷载1kN/m2作用下,根据JGJ7-2010《空间网格结构技术规程》(以下简称《规程》)中第4.1.5条规定,外荷载按静力等效原则将节点所辖区域内的荷载集中作用在节点上。因此外荷载等效为点荷载16kN,施加于网壳上弦节点,并考虑屋面板的施工荷载、雪荷载或风荷载作用时可能会产生不对称荷载,另外在风荷载作用下还能产生沿拱跨方向的水平荷载,分别简化为竖向满跨、竖向半跨、水平荷载三种荷载工况来考虑。基于以上尺寸,建立的模型如图1所示。具体材料属性见表1。2网壳结构静力性能对比由于斜拉网壳结构采用两纵边支承的边界条件,及塔柱,拉索设置位置的特性,可以首先单独取出网壳结构中一榀拱结构来对比分析,可以通过一榀拱结构来初步了解整体结构的性能。本文利用SAP2000软件对斜拉双层柱面网壳结构及相同杆件截面、边界条件的普通双层柱面网壳进行静力性能的对比分析。(注:内力负值表示网壳杆件受压,正值表示受拉。位移正值表示与坐标轴方向相同,反之相反。)斜拉网壳结构拉索布置见图2。轴力变化如图3~5。2.1斜拉索布置的特点由图3斜拉网壳和普通网壳在竖向荷载作用下轴力对比可以看出:1)网壳上下弦杆均受压。上弦杆的内力分布呈现中间小、两边支座处大的特点。而下弦杆内力呈现1/4和3/4跨处大、其余位置小的特点,呈现W形分布。这是由网壳结构边界条件和自身结构特点所决定的。2)加斜拉索后网壳内力分布形态基本与普通网壳保持一致;网壳设置斜拉索后,杆件所受压力减小,斜拉索作用明显,与相应普通网壳内力比对斜拉网壳上弦杆斜拉索布置处形成明显凹点。3)靠近塔柱处上弦杆内力减小幅度稍大于周围杆件,这是由于一榀拱结构支座处刚度大于跨中的缘故。4)观察下弦杆,可以看到拉索布置附近,出现应力集中、内力突增的现象,在设计中要特别注意。由图4~5斜拉网壳和普通网壳在不对称荷载作用下轴力对比可以看出,斜拉索布置处内力减小幅度高于周边杆件,斜拉索起到了良好的减小内力的作用。通过图3~5对比三种荷载工况下的斜拉网壳和普通网壳杆件轴力变化,可以得知不对称荷载工况下,斜拉索的布置对网壳结构杆件内力降低作用优于对称荷载作用。不对称荷载未对斜拉网壳结构造成不利影响。2.2网壳竖向位移及水平位移变化形态由于双层网壳上下弦节点位移基本保持一致,下面单独分析网壳设置塔柱处一榀拱结构上弦节点的位移特性,位移变化如图6~8。由图6~8可以看出:1)斜拉双层柱面网壳拱结构的竖向位移及水平位移变化形态与无斜拉索时的网壳变化规律一致。2)网壳在布置斜拉索后,比较网壳竖向位移和水平位移,可以看出,在布置斜拉索处节点位移减小量大于周边杆件,明显形成凹点。3)比较网壳在布置斜拉索后,在竖向满跨荷载、竖向半跨荷载、水平荷载作用下竖向位移峰值减小量分别为14.91%、41.4%、36.3%。同样比较拉索布置处水平位移减小量分别为25.53%、43.5%、32.4%。可以看出此种形式的斜拉双层柱面网壳对非对称荷载并不敏感,在非对称荷载作用下斜拉索起到的减小结构位移作用反而优于对称荷载作用时。3结构的荷载位移曲线结构的非线性包括材料的非线性和几何非线性,但对于网壳结构,通常认为几何非线性是主要因素。《规程》第4.3.2条规定,网壳的稳定性可按考虑几何非线性的有限元法(即荷载-位移全过程分析)进行计算,分析中可假定材料为弹性。本文仅考虑斜拉网壳的几何非线性因素,对网壳结构在荷载位移空间中的整个平衡图形进行研究。通过斜拉网壳结构的荷载-位移曲线全过程分析,可以了解斜拉网壳结构的几何非线性稳定性能。图9描述了三种荷载工况下(竖向满跨,竖向半跨,及水平荷载),斜拉网壳和相应普通网壳的荷载-位移曲线。网壳结构的每一节点都有其相应的荷载位移曲线,以下分析取结构的最大位移点处的曲线,以了解结构的整体稳定性,并对比分析斜拉网壳和普通网壳在临界荷载和屈曲性能方面的异同关系。由图9(a)可以看出,在竖向满跨荷载作用下,斜拉网壳的临界荷载明显高于普通网壳。网壳结构刚受力时,荷载-位移曲线呈现线性性质,当荷载继续加载,荷载-位移曲线的曲率逐渐变大,网壳呈现非线性性质,此时荷载继续加载,荷载-位移曲线出现拐点,这个拐点即为临界点,相应的荷载为临界荷载;从稳定方面来考虑,斜拉网壳的临界荷载明显高于相应的普通网壳。斜拉网壳临界荷载分别为113.80kN,而相应的普通网壳的临界荷载分别是85.36kN,斜拉网壳的临界荷载比相应普通网壳提高幅度为33.3%;从刚度角度来分析,由于结构临界荷载点对应的最大位移往往很大,一般超过结构设计的允许限度(根据《规程》规定,双层网壳结构,对于屋盖结构,容许挠度值取网壳短向跨度的1/250),因而没有实际意义,所以可以从对比设计荷载点时对应的最大节点位移值,从荷载位移曲线中可以得到普通网壳在荷载为16kN(设计荷载)时,对应的最大节点位移为0.194m,是网壳跨度的1/515,而斜拉网壳对应的最大节点位移为0.04m,是网壳跨度的1/2500,斜拉网壳的刚度明显大于普通网壳。由图9(b)(c)可以看出,从稳定性方面来说,竖向半跨、水平荷载作用下普通网壳的临界荷载分别为99.84kN、170.10kN,而对应的斜拉网壳的临界荷载分别为129.23kN、222.36kN。明显看出,加斜拉索后,网壳的稳定性能大幅提高提高幅度为29.4%、30.7%。其次,从刚度方面来说,斜拉网壳的刚度明显大于普通网壳。4斜拉网壳稳定性的改善综上所述,通过正交正放双层柱面网壳模型的对比分析,我们可以得到以下结论:1)通过对比斜拉双层柱面网壳和相应双层柱面网壳的静力特性,可以得知斜拉索的存在使斜拉网壳基本与普通网壳的静力特性保持一致,但明显改善了普通网壳的静力特性。斜拉索的存在起到了弹性支点的作用,分割了网壳的跨度,减小了网壳杆件的内力,约束