弦支屋顶结构滑动环索节点连接方式的受力性能分析

弦支屋顶结构滑动环索节点连接方式的受力性能分析

屋顶层是日本科学家m.kawagu于1993年提出的一种新结构。它结合了单层网壳和导向网的优点，并具有良好的力学。后端网的顶端由上部单层网壳和下部织物层组成。其中，织物层由同一层的环索、辐射索和支撑杆组成（如图1所示）。m.kawagu教授通过模型和英尺模型研究了后屋顶层的静态和动力性能。同时，对长200m的单-屋顶结构进行了分析。结果表明，该层起到了减少梁壁厚度、增加结构刚性和调整结构负荷的作用。现在，该结构的工程实践在日本有hikarigagagama和furai体育中心，中国有昆明白联广场勘探中庭、天津开发区培训中心走廊及走廊走廊走廊，这为进一步研究和应用于地幔结构提供了有益的经验。1滑动环索节点的结构设计在已有弦支穹顶的分析模型和工程实例中,环索一般处理成非滑动连接的方式,在节点卡住(图2a)或断开连接(图2b).这种连接方式在结构承受偏跨荷载作用时,环索不会在节点产生相对滑动,必然造成环索拉力幅值增大及同圈环索拉力差值增大.为了改善结构的受力性能,本文提出滑动环索节点的连接形式(如图3所示),意欲降低环索拉力幅值和同圈环索拉力差值.由于环索可以在节点滑动,当结构承受偏跨荷载时,同圈环索的拉力始终相同,其幅值也必然获得明显降低.需要指出的是,撑杆、斜索和环索三力未交汇于一点(如图3b所示),这样会产生次应力,但由于交汇区域尺度与整个撑杆长度相比很小,因此次应力很小,可以忽略.拉索滑动的计算较之于非滑动索要复杂得多,现有的几种计算方法的特点和适用条件在文献中有比较详细的分析和比较.本文在此采用其提出的冷冻-升温法,分析滑动环索的弦支穹顶结构,并给出设计建议.2环索滑动对钢丝绳结构性能的影响2.1滑轮两侧索单元的温度变化量计算当通过滑轮的索在两侧存在不平衡力时(N1≠N2),索将绕着滑轮滑动,使滑轮两侧的索拉力趋于相等,结构最终达到平衡状态.在这一过程中,索的滑动满足一定的规律,即索一侧的滑出量等于另一侧的滑入量,满足位移协调关系,即有通过对滑轮两侧的索单元施加虚拟的温度荷载Δt1=ΔNEA1αβ‚Δt2=L1ΔtL2,ΔN=N1−N2Δt1=ΔΝEA1αβ‚Δt2=L1ΔtL2,ΔΝ=Ν1-Ν2可以达到调整二者的长度,使索单元在满足位移协调关系的同时,通过迭代计算使索力达到平衡.具体计算方法见文献.式中:ΔL1,ΔL2分别为滑轮两侧索长的变化量;Δt1,Δt2分别为滑轮两侧索单元所需施加的温度变化量;L1,L2分别为滑轮两侧索单元长度;N1,N2分别为滑轮两侧索单元轴力;E,α,A1分别为索单元的弹性模量、线膨胀系数及截面积;β为不平衡力分配系数.弦支穹顶的每一圈环索都是闭合的,这是与一般滑动连接的不同之处(一般的连接形式中索是不闭合的).对于这种特殊连接,在应用冷冻-升温方法求解所需温度荷载的时候,对每一个索单元ΔNn,i,可以按下式求解:ΔNn,i=Nn,i−(Nn,max+Nn,min)/2(1)ΔΝn,i=Νn,i-(Νn,max+Νn,min)/2(1)式中:Nn,i为第n圈第i个索单元的轴力;Nn,max和Nn,min分别为第n圈环索中最大和最小的拉力值.ΔNn,i不再采用相邻拉索拉力的差值,因此不必再对2个滑轮间的共用环索进行处理,从而简化了分析过程,并且使迭代更加容易收敛.2.2辐射索和环索的荷载取如图1所示的联方型弦支穹顶结构为计算模型,跨度10m,矢高1.25m,上部单层网壳环向构件、辐射构件尺寸分别采用ϕ70×4和ϕ60×4;撑杆为ϕ60×4,辐射索和环索采用5ϕ5的钢丝束,撑杆与其下端节点相连的辐射索构成的平面夹角为70°,边界节点为固定铰支座.结构承受半跨均布荷载(作用于图1b所示的A—A轴的上半区),转化为节点荷载,即在A—A轴的上半区的第2圈节点承受垂直向下的集中荷载115.5kN,在最内圈的节点承受垂直向下的集中荷载58.5kN.在结构承受全跨均布荷载的情况下,无论环索滑动还是非滑动方式,同圈环索拉力必然相等.因此本文不再对全跨均布荷载进行分析.2.3环索节点连接方式对结构自适应对比现对滑动索连接方式进行非线性有限元内力和变形分析,将分析结果与非滑动索计算结果对比.比较内容包括节点竖向位移、支座水平推力、构件轴力和拉索轴力,如图4～8所示.图4表明,非滑动索和滑动索2种连接方式的节点竖向位移相同,水平位移也几乎没有差别.图5所示的结果也表明,支座节点的水平推力也基本上不受环索节点连接方式的影响,但随着荷载的增大,二者之间的差别稍有变大的趋势.图6显示了纬向构件和径向构件在两种连接方式下的轴力变化情况,其内力几乎没有差别.综合分析表明,对于上部网壳而言,环索节点的连接方式基本上不影响结构的静力性能.如图7所示,在非滑动索连接的情形下,环索和斜索的轴力非常不均匀,波动幅度非常大.在斜索中,甚至出现多处索失效(轴力为零);在滑动索连接的情形下(图8),理论上环索和斜索的轴力都比较均匀,环索轴力实际上是相等的,但由于计算中误差控制的缘故,其轴力中有极小的差别.图7和图8中所示单元位置的线条的宽度代表拉索轴力的相对大小,其最大和最小值见图中标识.对比图7和图8的计算结果,显而易见,在滑动索连接情况下的拉索轴力要比非滑动索连接时的最大轴力小得多.对于本例而言,环索轴力降低的程度为(52.93-22.51)÷52.93=57%,斜索轴力降低的程度为(19.18-5.64)÷19.18=71%.因此在实际工程中,将环索节点处理成滑动方式,不仅能大大降低拉索应力的幅值,而且可以使拉索应力分布更加均匀.非滑动环索和滑动环索2种连接方式,对于结构的变形、支座节点的水平推力和上部网壳构件的轴力几乎没有影响,但对减少环索和斜索的轴力有很大的作用.在同样的拉索截面条件下,后一种连接方式能更有效地分担荷载;换言之,若承担相同的荷载,后一种连接方式所需拉索截面较前一种可大大降低.在以上分析中,未考虑摩擦的影响.实际结构中总是存在或多或少的摩擦,会对环索滑动产生不利的影响.因此,应当采用动滑轮、施加润滑油等措施,尽量减小摩擦力.3滑动环索连接节点(1)提出了一种新的环索连接形式,即滑动环索连接节点,并给出了其具体的构造形式.(2)对于