双向张弦梁静力参数分析

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1、双向张弦梁静力参数分析刘志(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都610042)摘要：双向张弦梁结构是一种新型的空间结构体系，但目前国内对其研究及应用还不多。本文采用有限元方法初步分析了双向张弦梁结构的静力受力特性，并通过上弦拱截面，索预应力与矢高等参数的分析，揭示了这几项参数对双向张弦梁结构的静力性能的影响。关键词：张法梁；静力参数；有限元中图分类号：TU375文献标识码：B文章编号：1672—4011(2012)01—0053—031概述张弦梁结构最初是由“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式而得名，是一种适用于大跨度结构的受力体系。我国已经建成了

2、多个单向张弦梁结构，如上海浦东国际机场、广州国际会展中心、哈尔滨体育会展中心和天津保税区商务交流中心等建筑，但双向张弦梁结构体系的应用，目前还不多。双向张弦梁结构是将数榀平面张弦梁结构沿横纵向交叉布置，由拱、撑杆和弦组合而成。由于撑杆对拱梁的作用力，拱梁竖向稳定性增强；又因拱梁交叉连接，侧向约束相比单向张弦梁结构明显加强，结构呈空间传力体系；但比单向张弦梁结构节点处理变得复杂(见图1)。该形式较适用于矩形、圆形和椭圆形平面。同时相比单向张弦梁应用于较大跨度的屋盖体系时，单向受力的特性将使其应用受到制约，而双向张弦梁体系能够较好的克服了这些缺点。近年来对张

3、弦梁结构研究的不断深人，对找形分析、预应力施加全过程分析、荷载状态下的静力分析等方面都做了许多工作。本文拟采用有限元方法，分析双向张弦梁结构的静力特性。图1双向张弦粱结构2双向张弦梁结构的有限元分析由最小势能原理推出的一般有限元问题的迭代方程为：all=∑陋]7⋯一⋯=0(1)整理成Newton—Raphson迭代公式，则：[K]{△引州={P}一{F({d}。)}(2){d}。+。={d}。+{Ad}。+，(3)张弦梁结构主要含有三种结构单元：梁单元、杆单元及索单元。梁及杆单元已经在有限元分析中大量应用。索单元一般采用■竹^卅-”9专沽寸旨杆崎元一致，

4、只是索单元不能承受压应力，一旦单元应力为零，该单元即退出工作。3双向张弦梁结构的计算模型为了讨论双向张弦梁结构的受力特性，本文仿照图2的结构形式，建立了双向张弦梁结构的模型，并计算了考虑线性与非线性影响下的结构静力特性。双向张弦梁计算模型由10榀张弦梁交叉构成，构成一个36X36m的空间受力结构，每榀张弦梁之间的间距为6m。整个结构中间最高两榀张弦梁的矢高为4m，下弦拉索垂度为2m，其余各榀矢高度依次为3．57m、2．27m，下拉索垂度则依次为1．3m、0．67m。模型的支座情况都考虑为一边固定铰支座，另一段为滑动支座。整体结构模型如图2所示。图2双向张

5、弦梁结构计算模型模型的各构件材料取值同单向张弦梁模型，具体列如表1。裹1构件材料情况梁(拱)撑竿(腹杆)X向下弦索Y向下弦索截面(ram)日略25X16中114x4．07x7(啦5)7×7(啦5)面积A(mm2)155321382304．1(mm4)1．86X10s2．09X106E(MPa)2．1×1052．1X1051．6×1051．6X105为了便于对计算结果的讨论，对双向张弦梁结构，也作了统一的编号，结构的各榀屋架。沿x轴方向的屋架编号从x1到)(5，沿Y向的则编号为Yl到Y5，如图2中所示。对于每榀屋架的杆件编号如图3，其中近固定铰支座端的杆件

6、为S1，近滑动支座端的杆件为S6。图3张弦粱构件编号图表抑盼衔甫★聊蜥H0=100kN，此时索内的预应力为：盯=百no=100×103／3．04×10—4=328．9MPa索的预应变8=詈=328．9×106／1．6×1011=0．0020563．1杆件轴力取结构的外荷载仍为1．0kN／m2，采用非线性理论计算了双向结构的内力，结果如表2。表2双向张弦梁结构轴力(单位：kN)构件序号S1s2s3s4s5s6Xl一14l一135—134—13l一127—123X3一124—1ll一108—111—122—144Y1—140一135一134一131—127一

7、124Y3—118—105一103—108—120—144构件序号Fl1"2F3F4F5Ll—16X1一O．6一O．37—8．8一O．37一O．6118X3—8．9—18．6—．54．9一19．2—9．1128Y1一O．65一O．39—．8．9—0．46—0．64118Y3—8．84一18．46—54．9一19．0—9．03128从以上两表中可以看出：结构呈明显的空间双向受力的特性。结构的x向与Y向相应的每榀张弦梁的轴力与弯矩值相差都不大，这说明结构所承受的外加荷载被沿x与Y两个方向均匀的传递倒支座处。3．2结构位移图4是双向张弦梁结构x3榀的变形前后的

8、位形图。因为结构的位移较小，所以下图的位移变形放大了50倍。该榀张弦梁的最大竖向