张弦梁结构体系的抗风设计

张弦梁结构体系的抗风设计

1张弦梁结构体系结构bss是利用支撑杆连接抗弯压梁和抗拉梁的结构。预牵引力是由抗拉梁组件的支撑力决定的。一般由拱梁(抗弯受压)、弦(抗拉)以及撑杆组合而成,属于组合张拉结构。它充分发挥了钢索抗拉强度高和拱形结构抗压性能好的特点。上世纪80年代日本大学的Saitoh教授正式提出张弦梁这一新型柔性结构概念并首次将其应用到大跨度屋盖结构上,此后在日本及世界各国建造了不少跨度各异的张弦梁结构,其中,1990年在日本前桥建造的多功能大厅——平面尺寸达168m×122m的“绿色穹顶”可谓代表作。近年来,轻质屋面覆盖材料大量推广,加上我国的钢产量迅猛增加,国内张弦梁应用也逐渐发展起来。1999年上海浦东国际机场航站楼大跨度张弦梁结构(最大跨度82.6m)的建成,填补了国内的空白。此后,陆续设计施工完成的较大跨度张弦梁结构有广州国际会议展览中心屋盖(最大跨度126.6m)、哈尔滨国际会展体育中心屋盖(最大跨度128m)等。张弦梁的结构形式分为张拉直梁、张拉拱、张拉人字型拱三种,其中张拉拱的形式用得最多。上弦拱梁根据刚度需要可以用实腹组合截面或三角立体桁架,后者刚度更大,在大跨度结构中也更常用。对于张弦梁结构的屋面体系,当采用轻型屋面而结构气动外形不利时,结构的抗风设计是整个结构设计的关键,必须考虑有效的抗风设计措施。张弦梁结构体系中,预拉力大小对整个结构的工作性态和用钢量都有至关重要的影响,过大和过小都不利于结构受力,工程技术人员结合具体工程,探讨了不同预拉力值对结构受力性能的影响,并尝试提出了如何确立合理预拉力值的方法。对于张弦梁结构的设计,一般认为张弦梁结构体系几何非线性表现不明显,撑杆的失稳临界荷载远大于正常荷载,因此在正常使用荷载下能够保持稳定,不需要另加侧向约束。通常,拱梁弯矩较小,以轴力为主,剪力很小,不起控制作用,拱梁承载力的控制截面在靠近支座处。张弦梁是一种半柔性结构,下弦拉索张拉成型后,其结构体系才能形成。张弦梁结构体系的张拉施工工艺是保证其工作性态的必要条件,因此,对其张拉吊装施工工艺要求较高。张弦梁的施工控制方法有两种:(1)控制索张力:要求有专业仪器,往往需要多次的反复张拉;(2)控制索原长:建立在理论假设的基础之上,与实际工程有一定的差别。张弦梁的施工张拉方式按空间位置分为:(1)原位张拉:施工方便,但所需场地较大,施工效率低;(2)胎架张拉:所需场地小,施工快捷,但胎架柱顶钢支座设计复杂,且难以准确计入摩擦力的影响;(3)吊起张拉:施工效率高,无须设计胎架柱顶钢支座,消除了摩擦力的影响,张拉值更准确,但需要附加设备参与施工,较难测量挠度与控制索力。2游泳区屋顶结构分析2.1屋顶主体结构本项目为上海太平洋大酒店裙房顶层游泳池屋盖体系。工程位于上海虹桥区,是一家五星级大酒店。裙房5层,主楼29层,为框架剪力墙结构。这一次的改造部分位于裙房顶,将原有的露天游泳池改建成有采光天顶的室内游泳池。业主方希望新加的屋顶轻盈通透而富有现代感。设计小组决定采用张弦梁体系作为屋面主体结构,其上覆盖玻璃。新建张弦梁一侧支承于裙房顶,另一侧支承于主楼外侧。原建筑物轴线呈放射状布置,如按同样的放射状轴线布置张弦梁,将导致张弦梁承受最不利的不对称荷载。设计中按照平行轴线布置张弦梁。由于原有建筑柱位置已定,无法更改,为不影响张弦梁的结构布置,在裙房柱顶及主楼柱外侧各布置一道刚性较大的环梁,作为各榀张弦梁的支承结构。考虑张弦梁的侧向稳定以及玻璃划格大小,在每两榀张弦梁之间设置五道刚性支撑。并在刚性支撑之间设置两道索桁架,索桁架跨中设一个接驳爪,形成点支式玻璃幕墙1.5m×1.5m的玻璃分隔。2.2模型和分析的计算2.2.1几何非线性分析计算模型如图1所示,共用六榀张弦梁,单榀张弦梁的跨高比为12。根据张弦梁的特点,采用混合有限元进行几何非线性分析,将拱梁离散为空间直梁元,撑杆采用杆元模拟。撑杆与拱梁之间为铰接,张弦梁与支座处圈梁之间连接采用一端铰支,一端滑动的连接方式,次梁与张弦梁上弦拱梁之间铰接连接,为其提供侧向支撑,保证张弦梁稳定。2.2.2结构非织造工艺的确定最佳预拉力的确定在满足结构整体刚度和几何位形的前提下还要考虑其使用过程中的性能,尽量减少刚性构件在使用荷载作用下的应力和结构的变形。在Saitoh教授的研究中,他将张弦梁索预拉力依据其在结构中的不同作用,分为以下几部分:T1=To+Ta=Te+Tp+Ta(1)其中:T1-张弦梁工作状态下的张力;Te-由结构自重产生的拉力;Tp-结构性能控制指标引进的拉力;Ta-外荷载产生的附加拉力;To-结构成型时索的初始预拉力。设计时,首先需确定一个大致的索预拉力值,在这个预拉力值的基础上,根据实际工程起控制作用的主要工况,通过非线性分析进行调整,以得出最终的索预拉力值。本工程在工况①(1.2恒+1.4活)下,根据Saitoh教授的理论,初步确定一个大致的索预拉力。在预拉力的组成中,Te和Ta比较容易确定,关键是Tp,需要考虑控制结构变形需加的预拉力。当风吸力大于自重时,为保证拉索不至失效所需附加的预拉力,在下一步非线性分析时再加以调整。在(1.2恒+1.4活)作用下,可通过计算得出结构变形值,然后根据规范容许变形值可得所需的反向变形值,计算出使结构反向变形达到这些值所需的预拉力值,即为工况①下的Tp。具体步骤如下:(1)在索的初始预拉力为0的条件下,计算出1.2恒载下的Te;(2)在索的初始预拉力为0的条件下,计算出1.4活载下的Ta;(3)在索的初始预拉力为0的条件下,计算出工况①下结构变形U1,然后根据U1可初步校核上弦拱梁刚度是否合理,并作适当调整;(4)根据规范要求,计算出容许变形限值[U];设U1与[U]的差值为⊿U,⊿U=U1-[U],则-ue0c0U即为所需的结构反向变形值,用以确定Tp;(5)试算出结构仅在拉索受张力情况下,发生反向变形值-⊿U时索的张力,即为工况①下的Tp;由此可得出大致的索预拉力。2.2.3拉结和预拉力对于张弦梁结构体系,多用轻型屋面,当风吸力大于屋盖自重的时候,会引起屋架下弦拉索张力消失而退出工作,导致结构整体失效,所以必须考虑抗风设计。常用措施有三种:(1)加大屋面自重,如采用自重较大的屋面材料或张弦梁上弦杆内配重;(2)采用拉结措施,减小风吸力下反向变形;(3)加大索力,保证在风荷载工况下拉索始终张紧。表1列出变形最大的一榀张弦梁在工况①(1.2恒+1.4活)、工况②(1.0恒+1.4风)时的各项响应指标,该榀张弦梁的索预拉力为60kN。本工程屋面材料已定,上弦杆配重也不便于施工,而采用拉结措施对建筑效果及使用功能影响较大,所以只能采用第三种方法,但需要适当加大上弦杆截面的刚度。因为加大预拉力后,如上弦杆刚度不足,在风吸力作用下,反拱变形过大,会引起更大的拉索张力卸载,导致加大预拉力达不到应有效果。2.2.4张弦梁撑杆与上弦拱梁的连接张弦梁一端采用滑动支座(图2)确保拉索参与整体工作,索内力与上弦拱梁内应力共同作用,构成一个自平衡的结构体系。因此,为保证分析模型与工程实际相一致,滑动支座的设计在整个张弦梁的设计中显得尤为重要。滑动支座的设计主要包括以下两点:支座节点的构造以及允许的最大位移量。本工程采取了最简单易行的开长圆孔方法来保证支座沿张弦梁轴线方向可移动。依据结构在最不利荷载作用下的最大支座位移(包括温度影响),支座钢板上开70mm长圆孔即能保证张弦梁滑动端自由变形,并要求施工完成后,滑动销位于长圆孔的中央。设计要求张弦梁撑杆在张弦梁平面内可适当转动,并且索由撑杆底部通过。浦东国际机场张弦梁屋盖设计中,撑杆与索的连接处采用了球形节点。由于本工程跨度相对较小,撑杆截面也不大,自身钢管壁较薄,采用同样的球形节点显然不合适。因此,设计了一个更为小巧适用的钢构件,如图3所示。满足计算模型假定的要求,并保证了传力的可靠性。撑杆与上弦拱梁连接处,为保证其在张弦梁平面内可转动,设计了一个栓接节点,如图4所示。考虑到撑杆传给上弦拱梁下翼缘中间的集中力较大,因此在下翼缘外侧设置加劲钢板,将撑杆轴力分散传给拱梁腹板。既保证了拱梁下翼缘局部受力,又避免了在箱型拱梁内部焊接加劲肋,施工方便快捷。3.3索张拉和张拉本工程张弦梁位于酒店裙房楼顶,具备工作面,故施工时选择了最简便易行的原位张拉法。考虑外索预拉力并不很大,用控制索原长的方法进行张拉。为了方便施工,本工程采用了一种独特的张拉控制手段——只在钢架成型时控制索拉力。设计时通过对模型的详细计算分析,将施工过程中其他阶段的索拉力控制在允许范围之内。施工中,在张弦梁上弦拱梁安装就位后,进行索张拉;张拉完毕后,观测拱梁各控制点的标高,以及张弦梁一侧滑动支座处的支座位移,进行微调;当各项控制指标达到设计要求后,即认为索的工作预拉力已达到设计要求。然后从跨中向两边对称进行屋顶玻璃面板的安装。采用这样的施工方法,只在最初阶段需要控制索拉力,张拉一次完成,简化了施工操作,缩短了施工周期。但也有一些局限性,由于仅在钢结构自重下进行张拉,张拉时会造成结构较大的反拱,这就需要张弦梁的上弦拱梁具有足够的刚度,并且不适用于跨度较大的张弦梁。但这种施工方法在本工程的成功应用,证明其对中小跨度的张弦梁有一定的适用性,可加快施工进度。3调整拱梁刚度和拉索预拉力(1)张弦梁上弦拱梁的截面选取:上弦拱梁在恒载和活载工况下,弯矩比较小,以轴力为主,弯矩最大值出现在支座附近截面,因此,设计中最不利截面应选取在支座附近。(2)本工程上弦拱梁截面由风荷载控制,为保证拉索在风荷载工况下不出现松弛,必须加大拉索预拉力。如果拱梁刚度太小,则反向变形过大,会导致拉索卸载严重,反过来又必须加大预拉力,又会导致拱梁轴力过大,最终强度不足。所以