拱形张弦拱结构的结构分析与其静力性能研究1030只是课件.ppt

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1、拱形张弦拱结构的结构分析与其静力性能研究20141030主要内容一、拱形张弦拱结构简介二、均布荷载作用下的求解三、预应力张拉过程分析四、反对称荷载作用下的求解五、算例与有限元的比较六、拱形张弦拱静力特性七、模型试验简介八、结论2一、拱形张弦拱结构简介1.1传统张弦拱与拱形张弦拱图1传统张弦拱结构3图2拱形张弦拱结构4图3郑州新郑国际机场内景工程实例51.2拱形张弦拱结构特点（1）下弦悬索平衡上弦拱的水平推力，保留了传统张弦结构自平衡的优势；（2）传统张弦拱的撑杆变为拉杆，避免了中间杆件截面尺寸过大；（3）结构只有上弦拱为压弯构件，其余都为拉杆，结构效率

2、更高；（4）有更大的建筑室内空间可以利用，结构也更为简洁、轻巧，内部造型也更为优美。6主要内容一、拱形张弦拱结构简介二、均布荷载作用下的求解三、预应力张拉过程分析四、反对称荷载作用下的求解五、算例与有限元的比较六、拱形张弦拱静力特性七、模型试验简介八、结论7二、均布荷载作用下的求解2.1计算简图图4拱形张弦拱结构计算简图82.2计算假定（1）在平衡微分方程推导中考虑几何非线性；（2）中间竖向拉杆假定为刚性杆件，拱与索竖向位移协调；（3）拱考虑轴向与弯曲变形，不计剪切变形；索仅考虑轴向变形且只考虑受拉；（4）拱与索材料均为线弹性。92.3整体平衡微分方程

3、推导拱形张弦拱结构的上弦拱与下弦索的微段隔离体如图5所示：图5拱形张弦拱结构的拱、索微段平衡关系（a)拱微段隔离体（b)索微段隔离体10根据拱与索微段的平衡关系，并考虑到结构上弦拱推力与下弦索拉力自平衡，则得结构水平内力（简称索力）,故可得结构整体平衡微分方程为：设在荷载增量作用下，结构竖向位移为，相应的荷载变为，索力变为、拱弯矩变为拱与索的形状曲线变为与,将上述变量代入(1)式可得结构的平衡微分方程为：11联立(1)、(2)并考虑到拱的,其中可得结构在荷载增量作用下的平衡微分方程为：从(3)式可以发现同传统张弦拱结构一样，结构与初始内力无关，表现出线

4、性特性。另外，在均布荷载下，考虑到结构高度远大于上弦拱高度，故(3)式可进一步简化为式(4)，此式即为整体平衡微分方程。122.4变形协调关系推导为求解式(4)，需引入变形协调条件。引入图6所示微元。其中图(a)的结构微元变形由图(b)微元的转动）与图(c)微元的轴向应变线性叠加构成。图6拱形张弦拱结构微元变形图（a)（b)（c)13由上述微元可得微分关系：，故：又及，并同时考虑边界条件则得：进一步考虑边界条件：则：14式(6)、（7）即为拱形张弦拱结构的变形协调条件。152.5整体平衡微分方程求解联立(6)、(7)式可求得，并得平衡微分方程为式(8)

5、：考虑边界条件假定位移函数为。均布荷载作用下，为简化可取代入式(8)后得:16其中：17此处称为拱形张弦拱结构参数，该参数与下列因素相关：结构的高度、拱与索的矢（垂）跨比、拱与索的弹性模量与截面面积、拱的抗弯刚度，其值的变化集中反映了结构的性能。对式（9）用伽辽金法对假定位移函数得出的不平衡力在可能的位移下积分为零，即:求得参数项后得该拱形张弦拱结构的位移函数解为：18进一步可得相应支座水平位移、索力增量与拱的弯矩分别为式(12)、(13)、(14):19主要内容一、拱形张弦拱结构简介二、均布荷载作用下的求解三、预应力张拉过程分析四、反对称荷载作用下的

6、求解五、算例与有限元的比较六、拱形张弦拱静力特性七、模型试验简介八、结论20三、预应力张拉过程分析预应力张拉过程中，不考虑外部荷载及不计结构自重的情况下，由(3)式可知其整体平衡微分方程为：模拟索的实际张拉过程，对结构建立预应力。设为预应力张拉时拱跨中向上的反拱，考虑边界条件后位移函数可设为。21将位移函数代入式(15)，采用伽辽金法求解可得索力增量与拱反拱的关系为:为考虑影响后进行数值积分的修正系数；对拱矢跨比分别为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3时，值分别为0.998、0.990、0.978、0.963、0.946、0.928。

7、另外，根据所设定的反拱值还可求出预应力态拱的弯矩：22主要内容一、拱形张弦拱结构简介二、均布荷载作用下的求解三、预应力张拉过程分析四、反对称荷载作用下的求解五、算例与有限元的比较六、拱形张弦拱静力特性七、模型试验简介八、结论23四、反对称荷载作用下的求解活荷载的不均匀分布将对拱形张弦拱结构的内力和变形产生一定的影响，设反对称荷载的形式为：将此荷载用傅立叶级数展开：24考虑边界条件：及，故可设位移函数为（仅考虑一项）代入式(6)、(7)可知在反对称荷载下索力增量为零，则式(3)变为：进一步，将位移函数代入式(20)，并采用伽辽金法求解，则结构位移函数为：

8、25主要内容一、拱形张弦拱结构简介二、均布荷载作用下的求解三、预应力张拉过程分析四、反对称荷载