张弦梁桁架结构受力性能分析

张弦梁桁架结构受力性能分析

1张弦桁架结构张银梁结构是由拱、支撑和预应力支撑组成的较大走廊结构。它属于自平衡结构体系。通常，拱和索是呈直线形状，当上弦梁用空间框架取代时，可以将张银梁结构的不同抵抗状态定义为零状态，不能作为预测的释放状态。在初状态下，在预测的作用下，它处于自平衡状态。在本文中，我们主要研究了结构负荷结构的力学性能。2张弦梁桁架结构在成形根据对张弦梁(桁架)结构力学性能的定性分析,本文确定了有可能对结构受力性能产生影响的四个参数,即:初始预应力幅值、矢高比与垂度比、拱截面惯性距(桁架截面高度)和撑杆间距及数目.这四个参数对结构受力性能将产生何种影响也是工程技术人员十分关注的问题.张弦梁(桁架)结构在成形后通常会出现以下几种工况:①恒载;②恒载+活载;③恒载+风荷载;④恒载+活载+风荷载;⑤恒载+半跨活载.通常,在屋面采用较重屋面的情况下,工况③方向向下;由于大跨度结构通常为对称施工,本文暂不考虑工况⑤。因此工况②为常见的最不利工况,本文主要研究该种工况.考虑到由施工成形后到正常使用阶段的荷载变化,为使结论更具普适性,本文将外荷载分为三级.其中LOAD3对应于工况②,另外取LOAD0=0,LOAD1=13LOAD3,LOAD2=23LOAD31=13LΟAD3,LΟAD2=23LΟAD3.本文参考广州国际会展中心和哈尔滨会展中心体育馆的荷载取值,恒载取1.8kN/m2,活载取0.3kN/m2.计算程序采用作者自行编制的张弦梁(桁架)结构分析程序(已通过检验),计算过程中考虑了几何非线性效应.3初始预应力对上弦杆受力性能的影响算例3.1图1为一跨度80m的张弦梁结构,矢高6.0m,垂度2.5m.已知梁单元弹性模量E=2.1×108kN/m2,截面面积A=0.0349m2,抗弯刚度EI=3.255×106kN·m2;撑杆单元E=2.1×108kN/m2,A=0.005341m2;索单元E=1.8×108kN/m2,A=0.0105m2.张弦梁间距9m布置.给定右端头20号索段(见图1)预拉力分别为0kN、300kN、600kN和1000kN.计算在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下结构的变形和内力,如图2、图3所示.算例3.2图4为一跨度130m的张弦桁架结构,索垂度3.0m,矢高10.2m.已知桁架杆件E=2.1×108kN/m2,截面采用圆形无缝钢管,如图5所示;腹杆采用Φ168×6的圆形无缝钢管;撑杆E=2.1×108kN/m2,A=0.007967m2;索单元E=1.8×108kN/m2,A=0.01574m2.张弦桁架间距12m.给定右端头30号索段(见图4)的初始预拉力分别为0kN、500kN、1000kN、1500kN,计算在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下结构的变形和内力,如图6、图7所示.从图7可以看出,支座处杆件内力随初始预应力变化曲线均为平行直线,而且基本等间距;上弦杆内力变号(初始预应力为0时除外),内力最大值较小,受力合理,说明施加初始预应力可以很好地改善上弦杆受力性能;跨中杆件内力随预应力变化曲线特点与支座处杆件相似,所不同的是跨中下弦杆平行直线间距很小,说明外荷载对跨中下弦杆内力的影响很小,而初始预应力对张弦桁架跨中下弦杆内力起主要影响作用.图3(d)和图7(d)说明,索段轴力均随外荷载、初始预应力的增大线性增大,撑杆轴力也是如此.综合分析计算结果可知,初始预应力对张弦梁(桁架)结构的刚度几乎没有贡献;预应力可以有效改善桁架上弦杆受力性能,但对拱中的弯矩、剪力和桁架下弦杆内力起负面影响,对拱中轴力、其他弦杆内力、索段内力和撑杆内力有较大影响.张弦梁(桁架)结构成形后,其几何非线性可以忽略.4load1、load2、load3作用下的变形分布矢高比和垂跨比都对张弦梁结构刚度有重要影响.文献和分别研究了矢高比和垂跨比与张弦梁结构受力性能的关系,得出了矢高比和垂跨比的增大可以提高结构刚度、改善受力性能的结论,并给出了关系曲线.本文从另一个角度讨论二者与张弦梁结构受力性能的关系.算例4.1改变算例3.1中结构的矢高与垂度,同时保持其矢高比与垂跨比之和不变,右端头20号索段的初始预拉力为600kN,结构其他特性不变,计算结构在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的变形和内力,撑杆轴力也是如此见表1、表2.算例4.2改变算例3.2中结构的矢高与垂度,同时保持其矢高与垂度之和不变,右端头30号索段的预拉力为1000kN,结构其他特性不变,计算结构在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的变形和内力,见表3、表4.从表1和表3可以看出,同时改变张弦梁(桁架)结构的矢高比和垂跨比而保证其和不变,结构的跨中挠度几乎不变(最大相差1%),而支座处水平滑移变化明显.说明结构的竖向刚度与矢高比和垂跨比之和直接相关,其和保持不变,结构的竖向变形保持不变;而水平向刚度受结构形状(主要是索垂度)影响较大.从表2和表4可以看出,同时改变张弦梁(桁架)结构的矢高比和垂跨比而保证其和不变,拱、弦杆、索的内力几乎不变,撑杆的内力变化较明显,但撑杆内力通常很小.说明结构的内力分布也与矢高比和垂跨比之和直接相关,其和保持不变,结构内力保持不变.此外还可以看出,结构的变形和内力都与外荷载基本呈线性关系,结构的几何非线性可以忽略.5截面抗弯惯性矩算例5.1改变算例3.1中梁的截面惯性矩,右端头20号索段的预拉力为600kN,结构其他特性不变,计算结构在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的变形和内力,见图8、图9.算例5.2改变算例3.2中结构的桁架截面高度,右端头30号索段的预拉力为1000kN,结构其他特性不变,计算结构在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的变形和内力,见图10、图11.从图8和图10可以看出,增大拱截面抗弯惯性矩或桁架截面高度可以减小结构的挠度和水平滑移,提高结构的刚度;而且,张弦桁架结构变形随桁架高度的变化基本呈线性关系.从图9可以看出,支座处拱轴力和跨中拱轴力相差不大,所以拱轴力沿跨度变化不大,增大拱截面抗弯惯性矩可以减小拱的轴力;增大拱截面抗弯惯性矩可以大幅度减小拱的弯矩和剪力,从而改善结构的受力性能,当拱截面惯性矩足够大时,拱中弯矩和剪力会变号,如Iz=0.1240m4时;增大拱截面抗弯惯性矩还可以减小撑杆和索的内力.从图11可以看出,增大桁架截面高度可以有效减小弦杆、撑杆和索的内力,尤其是随荷载变化不大的跨中下弦杆轴力;反之,如果拱截面抗弯惯性矩(桁架截面高度)太小,拱可能压弯破坏,桁架下弦杆可能受压破坏,如Iz=0.0078m4和h=1.6m时.另外,从图9还可以看出,改变拱截面抗弯惯性矩不会改变初始预应力在张弦梁结构中产生的内力分布.这是因为张弦梁结构为一次超静定结构,在给定某一根索段内力时,其他索段的内力求解即转变为静定结构求解问题.总之,增大拱截面抗弯惯性矩或桁架截面高度可以有效提高结构的刚度,有效减小拱轴力、弯矩、剪力和弦杆内力,尤其是随外荷载变化不大的跨中下弦杆轴力,从而改善结构受力性能.即使拱截面抗弯惯性矩或桁架截面高度很小(桁架高度与跨度比0.012～0.022),结构的变形和内力仍随外荷载基本呈线性关系,因此结构的几何非线性可以忽略.6竖向撑杆数目对结构的影响算例6.1改变算例3.1中结构的撑杆间距和数目,右端头20号索段的预拉力为600kN,结构其他特性不变,计算结构在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的变形和内力,见图12、图13.算例6.2改变算例3.2中结构的竖向撑杆间距和数目,右端头30号索段的预拉力为1000kN,结构其他特性不变,计算结构在LOAD1、LOAD2、LOAD3作用下的变形和内力,见图14、图15.从图12、图13和图14、图15可以看出,当撑杆数目较少(如1、3、4、5、7)时,结构的变形以及拱、弦杆和索的内力变化较大;当撑杆数目较大(10个左右以及更多)时,结构的变形以及拱、弦杆和索的内力几乎不随着撑杆数目变化而改变.通常情况下,无论撑杆数目多少,结构的几何非线性都可以忽略.另外,撑杆数目的变化会直接影响撑杆内力,如图16所示。撑杆的内力随着撑杆数目的减少而迅速增大(尤其是撑杆数目较少时),甚至有可能出现撑杆轴心受压破坏,如1个撑杆时。而通常情况下,撑杆轴力较小,设计时主要是刚度控制。7结构内力的影响(1)如果保持矢高比和垂度比两者之和不变,则结构竖向刚度不变,即影响张弦梁(桁架)结构竖向刚度的主要因素是结构矢高比和垂跨比之和.拱截面抗弯惯性矩(桁架截面高度)对结构竖向刚度也有一定的影响.初始预应力、撑杆的间距、数目及布置方式(通常情况下)对竖向刚度的影响可以忽略;(2)对结构水平刚度影响较大的参数是垂跨比和拱截面抗弯惯性矩(桁架截面高度),其他参数影响不大;(3)初始预应力、拱截面抗弯惯性矩(桁架高度)对拱中剪力、弯矩、桁架下弦杆内力起主要影响作用,是结构设计中的控制因素;对其他构件,如索、桁架上弦杆的内力也有较大影响.矢高比与垂跨比之和、撑杆的间距、数目和布置方式(通常情况下)对结构内力无明显影响;(4)在张弦梁(桁架)结构成形后,其变形和内力随外荷载基本呈线性变化,其几何非线性可以忽略.最后,结合本文研究工作,提出如下设计建议.张弦梁(桁架)结构的初始预应力可以很好地改善部分构件的受力性能,比如桁架上弦杆.但是,对其他部分构件内力有很大负面影响,尤其是拱中剪力、弯矩、桁架下弦杆内力等,而且这部分构件内力几乎不受外荷载影响,因此初始预应力的取值不宜过大,否则张弦梁跨中拱截面将出现压弯破坏,张弦桁架跨中下弦杆将出现轴压破坏.由于张弦梁(桁架)结构一般跨度很大,结构相对较柔.因此,张拉成形、吊装完成后,安装檩条、屋面板、设备等会使结构产生较大的竖向变形,影响结构的标高.而建筑标高通常是指正常使用时的