单榀张弦梁结构的静力分析和结构

2012-09-06 00:54崔文升王立业
城市建设理论研究 2012年22期
关键词:预应力

崔文升 王立业

摘要:本文主要介绍了张弦梁结构在进行静力分析和结构找形时的基本理论方法。在张弦梁静力分析相关理论中主要描述了张弦梁结构的形态定义(零状态、初始态和荷载态)、张弦梁的结构性能,重点介绍了张弦梁结构初始预应力的概念、分布和预应力大小的确定原理—局部分析法。

关键词:张弦梁;大跨结构;预应力

Abstract:This paper describes the basic theory of the beam string structure during the static analysis and structural form-finding. Static analysis of the relevant string theory describes the definition of a beam string structure (the definition of the zero-state form, the initial state and loading state), the performance of beam string structure, highlighting the initial prestressed beam string structure concept, the size distribution and the principle of prestressing - local analysis.

Key words:beam string; Long Span Structure; pre-stress.

中图分类号:K826.16文献标识码:A 文章编号:

1引言

随着空间大跨结构理论的发展,以及人们对建筑美观的要求,张弦梁这种结构形式得以应运而生。张弦梁结构是由上弦刚性构件和下弦柔性拉索两类不同类型单元组合而成的一种结构体系,通常将其归类“杂交体系”范畴。从受力形态上来看,张弦梁结构又通常被认为是一种“半刚性”结构。

由于其自重轻,受力合理,因此在工程上的应用越来越广泛。根据单榀张弦梁结构的不同布置形式,可分为单向张弦梁结构、双向张弦梁结构和多向张弦梁结构,其中单榀张弦梁结构的性能对整个结构的性能起主要作用,因此充分了解单榀张弦梁结构的性能非常重要。本文主要介绍了张弦梁结构在进行静力分析和结构找形时的基本理论方法。

2张弦梁结构的形态定义和力学性能

2.1 张弦梁结构的形态定义

张弦梁结构像悬索结构等柔性结构一样,根据张弦梁结构的加工、施工及受力特点,通常将其定义为零状态、初始态和荷载态三种

零状态: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。

初始态: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:体系在初状态的基础上,承受其它外荷载之后的受力状态。

以上三种状态的定义,对张弦梁结构来说具有现实意义。对于张弦梁结构零态,主要涉及到结构构件的加工放样问题。张弦梁结构的初始形态是建筑设计给定的基本形态,即结构竣工后的验收状态。实际施工时,张弦梁结构的上弦构件按照零形态给定的几何参数进行加工放样,那么在张拉拉索时,由于上弦构件刚度较弱,拉索的张拉势必引导撑杆使上弦构件产生向上的变形。当索张拉完毕后,结构各构件的形状将达到初始态从而满足建筑设计的要求。

2.2张弦梁的结构性能

如果不考虑拉索超张拉在结构产生预应力的话,平面张弦梁结构的受力特性实际上相当于简支梁的受力特性。

从截面内力情况来看,张弦梁结构与简支梁一样需要承受整体弯矩和剪力效应。根据截面内力平衡关系易知,张弦梁结构在竖向荷载作用下的整体弯矩由上弦构件的压力和下弦拉索的拉力所做形成的等效力矩来承担。由于张弦梁结构通常只布置竖向撑杆,且下弦拉索不能承受剪力,从两根竖向撑杆之间截面内力平衡关系来看,整体剪力基本由上弦构件承受。因此上弦构件除了承受基本弯矩效应产生的压力外,还承受剪力及由剪力产生的局部弯矩效应。

对于张弦梁结构的下弦拉索来讲,由于通常采用半平行钢丝束或钢绞线等高强度材料,因此与采用普通型钢的桁架结构下弦构件相比,其可以承受更大的拉力,这也是该类结构适用于大跨度屋盖的一个主要原因。

3张应弦梁结构初始态预力分布与大小的确定

3.1张弦梁结构初始态预应力分布

在进行张弦梁结构的设计分析时,首先要确定张弦梁结构初始态预应力分布和大小,然后才能确定结构零状态几何以及进行后续荷载态的分析。在这个确定预应力分布的过程中,体系几何形状也即初始态构型是己知的,因此此过程是单纯的“找力”分析。

文献[1]对大型索杆梁体系的初始态预应力分布的确定进行了研究,提出了基于上部梁系和下部索杆体系分开的结构分块的局部分析法,文献[2]对该方法进行了进一步简化并应用于弦支穹顶结构的初始态预应力分布的分析。

3.2预应力施加的大小的确定

关于预应力大小的合理取值,不仅是结构分析的问题,还牵涉到建筑形状、施工工艺等方面,其影响因素很多,所以预应力值的确定很复杂。文献[3]- [7]对此进行了研究并提出了取值原则甚至计算公式。

根据预应力在结构中的作用,并结合以上讨论,可以得出预应力大小合理取值的两个主要原则:

(1)尽量减小外荷载产生的上弦弯矩,使结构中内力分布合理,改善结构受力性能;

(2)当结构所受风荷载效应大于恒荷载效应时,尽量保证拉索不出现受压而松弛,使各构件继续保持协同工作。

3.3 张弦结构的找形分析

张力结构的传统分析方法是从确定的一个初始态开始的。习惯上是根据建筑要求和经验使结构曲面具备一定的初始刚度。但是仅此而获得的结构刚度是不够的,这就必须对索杆结构或索膜结构施加预应力,使结构进一步获得刚度,以在各种不同的荷载条件下索杆结构的任一索段均满足强度要求及稳定条件。含有索单元的张弦结构存在找形问题。所谓找形是传统力学问题的逆问题,它是要求满足平衡条件的形状而不是满足协调条件的平衡,即以几何零状态为基础对预应力态和加载态进行形状判定和力判定,确定施加预应力以后结构的几何位形及内力分布。

4结论及展望

本文主要介绍了张弦梁结构在进行静力分析和结构找形时的基本理论方法。重点介绍了张弦梁结构初始预应力的分布和预应力大小的确定原理—局部分析法。

但是仅仅掌握这些理论方法远远不够。现在单榀张弦梁结构在工程上的应用越来越广泛,充分了解单榀张弦梁结构的性能非常重要。今后还需做进一步的研究工作:应用SAP2000软件,对静力作用下影响张弦梁结构受力性能的参数进行分析,讨论其相互之间的影响规律;应用SAP2000软件,对地震作用下的张弦梁结构进行动力分析,分别进行反应谱分析和时程分析并进行比较,以研究张弦梁结构的抗震性能;考虑张弦梁结构的几何非线性和材料非线性对结构受力性能的影响等等。

参考文献:

[1]刘开国.大跨度张弦梁式结构的分析[J].空间结构,2001.7(2):39-43

[2]杨睿.预应力张弦梁结构的形态分析及新体系的静力性能研究[D].浙江大学硕士学位论文,2002

[3]沈世钊,大跨空间结构若干理论问题研究[J].苏州城建环保学院学报,2000,13(3)25-29

[4]范峰,支旭东,沈世钊,黑龙江省国际会议展览体育中心主馆大跨钢结构设计[A].第十届空间结构学术会议论文集[D].2002:806~811

[5]刘开国.大跨度张弦梁式结构的分析[J].空间结构,2001,7(2):39~43

[6]杨瑞,董石麟.张弦梁结构中预应力的作用及合理取值[A].第二届全国现代结构工程学术研讨会论文集[C].2002:372~378

[7]孙文波.弦杆弯曲的圆钢管桁架的刚度性能研究[D].华南理工大学博士学位论文2002

[8]杨睿,董石麟,倪英戈.预应力张弦梁结构的形态分析一改进的逆迭代法[J],空间结构,2002,8(4):29-34

注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

猜你喜欢
预应力
大跨径预应力连续刚构桥施工技术
试析预应力技术在公路桥梁施工中的应用
后张法预应力箱梁施工质量控制
桥梁预应力损失成因探究
基于 ABAQUS 软件的预应力梁式 U 型渡槽受力分析
两种预应力主动加固桥梁技术分析
先张法预应力混凝土空心板桥预应力工程施工质量控制要点
预应力锚固技术在矿坑边坡支护中的实践研究
地下工程大跨度预应力混凝土结构设计
浅谈预应力混凝土管桩的施工和设计方法