工程类课件：张弦结构

张弦结构主要内容张弦结构基本介绍张弦梁设计内容MidasGEN如何实现张弦梁设计实例操作演示一、张弦结构基本介绍一、张弦结构基本介绍预应力钢结构是什么？

预应力钢结构是在设计、制造、安装、使用过程中用人为方法引入预应力以提高结构强度、刚度、稳定性的钢结构。为改变传统结构的内力与变形分布、抵消荷载作用下的内力与较大变形，通常是通过在钢结构中引入高强度的拉索并给拉索施加预应力来实现的。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构是什么？

张弦梁-BSS(BeamStringStructure)，由日本大学斋藤公男M．Saito教授在上世纪80年代初提出的，他将其定义为“用撑杆连接起抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”，一种新型预应力杂交钢结构形式，之后得到逐渐得到广泛应用。它是通过受压杆件（竖向撑杆）将受拉构件（钢拉索）和压弯构件（梁、拱、桁架等）连接到一起，同时施加预应力于受拉构件（钢拉索），待上部使用荷载施加后，使结构恢复初始形状组成受力结构体系的一种新型结构。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的特点？（1）弦支梁结构承重力高（2）弦支梁结构在荷载作用时的结构变形下（相对单层结构）（3）弦支梁结构稳定性特别强（4）弦支梁结构自平衡体系（5）弦支梁结构建筑造型适用性极强（6）弦支梁结构制作、运输、施工简单李振波的可以一点一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的特点？弦梁也有很明显的缺点：（1）张弦梁对风荷载很敏感，一般情况大跨度下为了减轻屋面荷载都采用轻型屋面系统，风荷载作用下很容易产生吸力使下弦拉索受压而失去作用；（2）单向布置的张弦梁为平面受力体系，空间作用小，平面外无法保证稳定，所以要加平面外支撑构件，而这些如高强拉索的支撑构件通常会需要很高的工作面，加大预应力张拉难度；（3）张弦梁结构中仅仅有竖腹杆，没有桁架等结构的斜杆，随着跨度的增加，会导致以压弯构件为主的上弦构件截面加大，同时竖腹杆受长细比影响其截面也将很大。

（4）设计分析较为困难，特别是找形过程。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的分类按压弯构件类型压弯构件为梁压弯构件为拱压弯构件为桁架压弯构件为网架或网壳解释一下每一种一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的分类直线型张弦梁是张弦梁结构的最基本模型。该类型通过拉索和撑杆提供弹性支撑,从而减小上弦构件的弯矩,主要适用于楼板结构和中小跨度屋面结构。拱型张弦梁具有拉索和撑杆为上弦构件提供弹性支撑以减小拱上弯矩的特点,此外,由于拉索张力可以与拱推力相抵消,一方面充分发挥了上弦拱的受力优势,也充分发挥了利用拉索抗拉强度高的特点,适用于大跨度的屋盖结构。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的分类张弦梁桁架张弦桁架结构采用了刚度更大的析架作为张弦梁结构的受压构件，使得其适用于更大跨度的结构以上。析架又可以分为平面析架和空间析架。索承网壳索承网壳是将单层网壳作为受压构件,通过拉索进行张拉形成的空间张弦梁结构受力体系。通过对下部拉索施加预应力,可以使得单层网壳产生与正常使用荷载作用下反向的位移与内力,有效提高整体结构的刚度和稳定性,改善结构的受力性能,使得结构对边缘约束构件的要求明显降低,结构的跨度可以做的更大。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的分类按布置方式平面张弦空间张弦平面张弦梁特点就是所有结构构件都位于同一平面内，也称为单向张弦梁，此种张弦梁以平面受力为主。平面外刚度小造成其平面外稳定性差。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的分类按布置方式平面张弦空间张弦多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。一、张弦结构基本介绍张弦梁结构的分类按材料分类钢材铝合金胶合木混凝土主要是压弯构件一、张弦结构基本介绍典型工程一、张弦结构基本介绍典型工程一、张弦结构基本介绍典型工程一、张弦结构基本介绍典型工程上海世博会主题馆一、张弦结构基本介绍典型工程上海世博会主题馆一、张弦结构基本介绍典型工程新疆国际会展中心屋盖预应力桁架结构体系：17榀主桁架，4榀纵向支撑桁架，跨度90m，截面高5.5m，一端固定铰支，一端单向滑动。中部展厅标准榀：二、张弦梁设计内容二、张弦梁设计内容找形与找力任何结构分析都是基于平衡状态下进行的，对于索结构结构，由于内部机构的存在，使得结构必须靠预应力形成虚刚度（应力刚度）来维持结构形态，就必须寻找结构在预应力作用下的初始形态，即找形(FormFindingorShapeFinding)。另一方面在工程中，很多结构的几何形状一般都是先给定的，这时的找形就变成在已知边界约束条件与结构拓扑条件下，如何获得满足给定结构几何的预应力分布问题即找力(ForceFinding)。可将形状确定问题分为三类。（1）单纯的找形分析问题，如假设自应力分布的找形分析，此时荷载为零而内力不为零之状态。（2）单纯的找力分析问题，如假设体系的几何形状，以此初始形态为自应力的分布作出优化。（3）兼有找形分析和找力分析的问题，即已知道边界（建筑）条件，进行体系拓扑分析，根据分析的结果进行找形分析和找力分析，由结构效率最高和总体造价最低、满足建筑本身的安全、适用及耐久性等要求确定最后的建筑方案。

二、张弦梁设计内容三种状态零状态、初始状态、工作状态（荷载态）零状态是结构体系拉索张拉前的状态,实际上是构件加工和放样形态，通常也叫结构放样态。在这个状态中结构不受预应力和自重作用。初状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。初始态是建筑设计所给定的基本形态，即结构竣工后的验收状态这个状态中结构受预应力和自重作用。荷载态是在初状态的基础上，承受其它外荷载之后的受力状态。二、张弦梁设计内容结构的几何定义不要求初始状态几何严格满足图纸→零状态=图纸几何当结构刚度较大使预张力引起的变形很小或当结构张拉引起的变形与自重效应相互抵消时，容许初始状态几何相对于图纸几何有较小的并可以接受的误差。这种情况下，可将图纸几何取为零状态几何，按图纸几何建立模型。要求初始状态几何与图纸几何吻合→初始状态几何=图纸几何当结构较柔使预张力引起的变形与自重效应叠加时，应将图纸几何取为结构的初始状态几何，按图纸几何建立计算模型，撤除主动索在其两端节点加上的主动索力，进行线性分析确定与图纸几何对应的一组平衡内力，这组内力即是初始状态内力，这一方法可称为撤杆加力法。但是必须采用“倒拆法”，在初始状态几何基础上逐步拆除主动索进行计算，才能得到结构的零状态几何。建筑设计图纸中所规定的结构几何为图纸几何二、张弦梁设计内容一般原则

张弦梁结构的基本受力性能符合线弹性和小变形的假定，因此其荷载及预应力效应可以采用线性叠加原则。但对于大跨度的张弦梁结构，需要考虑几何非线性的效应以进行精确分析。建议：直接考虑几何非线性计算假定：上弦--梁单元杆单元（桁架）；

撑杆--杆单元；拉索--索单元材料处于弹性状态，符合虎克定律索与撑杆之间的节点，以及索段之间的节点,均为无摩擦的理想铰接点，并且不考虑连接时节点不完全重合而引起的影响。节点之间的索段为直线单元索为完全柔性，即无抗弯和抗压能力二、张弦梁设计内容形态确定

上弦参考前面张弦梁分类

下弦采用抛物线、圆弧线（垂度建筑图纸）二、张弦梁设计内容预应力分部的计算方法(1)平面张弦梁结构预应力分析的等效节点荷载法张弦梁预应力分析主要计算结构在初始状态时的自平衡预应力分布，其预应力特点如下：张弦梁结构中的拉索张力只有一根是独立的，其他索段的预张力就可以看成是某根索段张拉的结果二、张弦梁设计内容预应力分部的计算方法(2)预应力分析的局部分析法部分析法是采用平衡矩阵空间分解技术来分析预应力分布。二、张弦梁设计内容(1)平面张弦梁结构预应力分析的等效节点荷载法例：例：跨度60m上弦拱高3m下弦垂度5m抛物线型局部分析法保持恒载下位移为零，需多大的力？二、张弦梁设计内容找形方法：非线性有限元法找形目标：在预张力、一倍恒荷载及自重下的上弦刚性网格位移响应趋近于小值（一般与图纸位形差10~30mm以后）。

自重+预应力？自重+恒+预应力？自重+0.5恒+预应力？

设计师主导偏大二、张弦梁设计内容荷载态设计验算设计师主导偏大刚度：容许挠度控制为L/250

长细比：压杆150拉杆250强度主要钢构件：应力比≤0.8（静力荷载、小震）

应力比≤1.0（大震）拉索：最大拉力≤0.4破断力（静力荷载、小震、大震）稳定：考虑大变形对结构的影响，采用一致缺陷模态，最大值取跨度的1/300，系数K≥4.2索不松弛三、MidasGEN如何实现张弦梁设计三、MidasGEN如何实现张弦梁设计通过轴向的拉伸来抵抗外荷载作用；

•仅在受拉情况下工作；

•受压状态下即退出工作；

采用坚朗、巨力等厂家索弹性模量：1.60x105N/mm2

公称抗拉强度：1670N/mm2

容重：考虑索节点占索重0.3~0.5

材料

三、MidasGEN如何实现张弦梁设计需经换算得到索截面

截面三、MidasGEN如何实现张弦梁设计MIDAS程序中的初始刚度

定义索单元时几何刚度初始荷载初拉力荷载初始单元内力

三、MidasGEN如何实现张弦梁设计MIDAS程序中的初始刚度

三、MidasGEN如何实现张弦梁设计MIDAS程序中的初始刚度

为非线性提供线性分析可能性三、MidasGEN如何实现张弦梁设计三、MidasGEN如何实现张弦梁设计非线性荷载工况

非线性分析：无法结果叠加，只能荷载叠加。不考虑地震？？三、MidasGEN如何实现张弦梁设计边界自平衡：一铰一滑两端锁死，应叫索承网格体型。三、MidasGEN如何实现张弦梁设计分析几何非线性分析一般默认即可三、MidasGEN如何实现张弦梁设计特征值分析---线性分析主菜单选择荷载>静力荷载>初始荷载>小位移>初始单元内力在对带有索单元的结构进行反应谱分析的时候，注意到反应谱分析属于弹性分析，索单元在分析时等代成桁架单元参与计算。ZZ+DL+0.5LL四、实例操作演示四、实例操作演示跨度32.65m上拱0.5m垂度1.8m索间距：4.3m设计荷载恒载：结构构件自重由程序自动计算确定拉索取自重的0.3倍，即材料密度放大1.3倍玻璃幕墙：0.5kN/m2活载：面活荷载：0.5kN/m2吊挂荷载0.5kN一个温度作用：±25°选用材料结构钢材采用Q345B四、实例操作演示统一技术措施打发设计荷载雪荷载：0.2kN/m2风荷载：基本风压：0.30kN/m2(50年重现期）地面粗糙度：B类风压高度变化系数:依据规范按实际高度取值风振系数：1.6风载体型系数：-0.6四、实例操作演示地震：抗震设防烈度为：6度；设计基本地震加速度：0.05g

设计地震分组:第一组统一技术措施刚度：

挠度控制为1/250强度主要钢构件：应力比≤0.80（静力、风、温度、小震）

次要构件：应力比≤0.90拉索：最大拉力≤0.4破断力（静力荷载、小震、大震）

稳定：考虑非线性对结构的影响，采用一致缺陷模态，最大值取跨度的1/300，控制参数四、实例操作演示统一技术措施四、实例操作演示1读取建筑图2RHINO线模型3MidasGEN找力、设计验算四、实例操作演示先单榀复制阵列拉檩条导入midasGEN四、实例操作演示MidasGEN设计分析赋材料属性定义截面