上海世博会主题馆张弦桁架结构方案分析对比

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1、200385拳署君第五届全国预应力结构理论与工程应用学术会议(论文集)V01．35。增刊Oct．2008上海世博会主题馆张弦桁架结构方案分析对比王飞罗永峰(同济大学建工系，上海200092)【摘要】张弦空间桁架既秉承了传统桁架结构的力学思想和美学特点，又充分发挥了桁架的受力优势和索材的高强抗拉性能，使结构自成一个平衡体系。本文对世博主题馆两种张弦结构方案进行了结构变形特点、受力性能以及自振特性的数值分析研究，为深入设计提供了详细可靠的数据资料，对深刻了解张弦结构的静动力性能进行了有益的探索[关键词】张弦桁架；变形性能；受力性能；预

2、应力；模态分析，自振频率平面张弦梁结构(BeamStringStructure，简称BSS)是由拱梁、弦和撑杆组合而成的一种新型平面承力结构，它是最近几年发展起来的大跨度钢结构，可用于屋盖(图1a)、楼层(图1b)，还可用于墙体结构(如玻璃幕墙的立柱)掣1。21。该结构具有受力合理、自重轻、制造施工简单、运输方便以及富有时代气息等优点。(a)屋盖(b)接层图1张弦梁示意1一撑杆；2一拱梁；3一索；4一平梁张弦立体桁架是将普通张弦梁结构的拱梁用立体桁架代替而形成的结构，和一般的张弦梁结构相比，三维空间桁架的杆件受力更合理，空间刚度更

3、大。由于节点荷载由空间多根杆件与支撑杆件有机的结合起来，因而跨度更大，更省钢材，故张弦立体桁架更适合在大跨度屋盖中使用。上海浦东国际机场航站楼(最大跨度82．6m)以及随后的广州国际会议展览中心屋盖(最大跨度126．6m)、哈尔滨国际会展体育中心屋盖(最大跨度128m)都是国内单向张弦立体桁架结构应用的经典范例。张弦立体桁架结构是典型的刚柔相济的杂交体系，利用施加在索上的预应力使立体桁架产生反拱，使结构在荷载作用下的最终挠度得以减少；撑杆对立体桁架提供了支承，改善了后者的受力性能；索承受了立体桁架的水平推力，减轻了其对支座产生的负

4、担，同时减少了滑动支座的水平位移；同时，结构的各个杆件均只承受轴向力，杆件受力明确简洁。总之，张收稿日期：2008—09—15作者简介：王飞(1981．)，男。江苏徐州人，博士研究生，主要从事大跨度空间结构的研究。弦立体桁架结构能使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，每种构件都尽可能地发挥材料的作用口】。本文以上海世博会主题馆西侧展厅张弦立体桁架结构为背景，对设计方案中拟采用的单向和双向拉索张弦立体桁架结构从静、动力性能方面进行分析对比。1计算参数和模型1．1计算参数上海世博会主题馆西侧展厅平面投影为矩形，东西向144m(横向)

5、，南北向180m(纵向)，总体高度26m，净高14．5m，采用张弦立体桁架结构体系。方案1为单向拉索张弦桁架(结构轴侧图如图2a示)，沿横向设置2道撑杆，相邻撑杆间距72m，上弦采用正三角形立体桁架，桁架高3m，宽3m，下弦采用钢拉索，间隔1m，上下弦之间用撑杆连为一体，相邻两对撑杆之间设置斜拉索，桁架断面为倒梯形(图2b所示)，纵向桁架支撑共设4道，两边各一道，中间两道，其高度与桁架高度相同。方案2为双向拉索张弦桁架(结构轴侧图如图2c所示)，其中每榀桁架下弦为单根拉索，横向等间距设12道撑杆，桁架断面为鱼腹形(断面如图2d所示

6、)，纵向设1132008年增刊王飞，等：上海世博会主题馆张弦桁架结构方案分析对比第35卷置7道拉索，纵向桁架支撑共设3道，两边各设一道，中问设一道。各榀桁架间通过檩条、支撑和连系梁相连，从而形成一个结构整体。两个方案主要构件截面相同，结构各构件截面尺寸如表1所示。j≯?-i‘1⋯i，{．≯!¨_■图2上海世博会主展览馆方案轴侧图及张弦桁架断面襄1结构构件截面尺寸构件尺截面名称材料截面名称材料寸／ram寸／mm桁架上弦d，630×30Q345桁架腹杆44'299×8Q345桁架下弦1a珥80×12Q345撑杆d珥02×16Q345桁

7、架下弦2g)480×24Q345，支撑口吃19×8Q345桁架腹杆1口，299×8Q345斜撑士402×160345桁架腹杆2巾325x12Q345拉索1币114平行钢丝柬桁架腹杆34：u1．02×16Q345拉索24’215平行钢丝束1．2计算模型114采用通用有限元软件MIDAS／Gen7．1．2建立该结构的分析模型，桁架杆及撑杆、支撑均采用Beam单元，但释放两端转动约束；拉索采用仅受拉的Truss单元，整榀桁架与柱子采用弹性连接的方式，以此来模拟固定铰支座和滑动铰支座；柱底部与基础刚结，其中方案1整个模型共有4495个节点

8、，10973个单元；方案2共有4338个节点，11067个单元。整个结构的模型图以及单榀桁架模型图，如图3、图4所示，其中图3为结构方案1，图4为结构方案2。图3方案1分析模型第35卷王飞，等：上海世博会主题馆张弦桁架结构方案分析对比2008年增刊