大跨度预应力钢结构设计中的相关问题

大跨度预应力钢结构设计中的相关问题

大跨度预应力钢结构设计中的相关问题—以张弦梁、弦支穹顶及索穹顶结构为例

姜正荣

18675834096

华南理工大学 土木与交通学院 博士、副教授、硕士生导师 广东省钢结构协会 副理事长

大跨度预应力钢结构设计中的相关问题

广东省标准《钢结构设计规程》

大跨度屋盖钢结构的跨度大于80m,应优先选用屋盖形效结构。

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张弦梁结构的相关研究

及工程实践

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张弦梁结构

(Beam String Structure — BSS)

概念张弦梁结构是由刚性压弯构件(拱)、柔性拉索或钢拉杆(弦)及撑杆组合而成 的屋盖弯矩结构体系，最初是由日本大学M.Saitoh(斋藤公男)教授在20世 纪80年代初提出。该结构通过撑杆减小拱弯矩和变形的同时，由弦抵消拱 端推力，从而降低对边界条件的要求。

直梁型张弦梁

上弦拱可采用实腹式截面，也可采用格构式截面。

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分类张弦梁结构根据传力特点，可分为单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、三向张弦梁结 构、辐射式张弦梁结构等。(一维及二维张弦梁结构)工程名称日本大学体育馆 日本绿色穹顶 贝尔格莱德新体育馆 奥运会奥体中心训练馆

结构类型单向 辐射式 双向 单向

跨度 (m)85 167x122 132.7x102.7 43

单向(一维)适用用于矩形平面

双向(正交式布置二维)适用于矩形、圆形和椭圆形平面

浦东机场一期航站楼浦东机场二期航站楼 郑州国际会展中心 哈尔滨国际会展中心 广州会展中心 深圳国际会展中心 全国农展馆新馆

单向单向 单向 单向 单向 单向 单向 单向

82.689 70 128 126.6 126 77 77

三向(斜交式布置二维) 辐射式(辐射式布置二维)适用于多边形平面 适用于圆形和椭圆形平面

中国长春农博园

黄河口模型试验大厅奥运会国家体育馆 广州南沙体育馆

单向双向 辐射式

148144.5x114 直径98/41.6

中心宜设置受拉环及受压环

单向及辐射式张弦梁中，撑杆与拱的连接一 般采用面内铰接、面外刚接(平面铰)。

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工程应用

绿色穹顶 (167mx122m椭圆形，135kg/m2)

贝尔格莱德新体育馆(102.7mx132.7m)

浦东机场航站楼(一期) (82.6m)

浦东机场航站楼(二期) (89m)

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广州会展 (126.6m)深圳会展中心矩形平面(18×30m)×(126m+30m+126m),250kg/m2

国家体育馆 (114mx144.5m)

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哈尔滨国际展览体育中心 (128m)

广州南沙体育馆

(直径98m/41.6m,36榀/18榀)

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单榀张弦梁结构的发展途径→ 体外布索 → 下部索杆

(1) 体内布索

(2) 索杆替换连续梁的中间支座

(3) (竖向、斜向)吊挂

→

下部索杆(支点代替吊点)

(4) 曲梁

→

拉杆拱

→

张弦梁

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单榀张弦梁结构的受力特性单榀结构的受力特性实际上与简支梁相当张弦梁结构在竖向荷 载作用下的整体弯矩 由两部分组成：① 拱压力和索拉力的水 平分量所形成的

等效 力矩；② 拱本身所 承受的局部弯矩。简支梁 单榀张弦梁

N cos T cos V sin

V cos T sin N sin p 0.5l x VM T cos h 0.5 p lx x 2 T cos h M由于张弦梁结构中通常只布置竖向撑杆，且拉 索不能承受剪力，因此整体剪力由拱的剪力和 索拉力及拱压力的竖向分量组成。

隔离体

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模型1——曲梁

模型2中，由于拉索的存在，拱跨 中挠度和支座水平位移均远小于 模型1;模型1的曲梁轴力很小而 弯矩很大；模型2的拱轴力远大于 模型1,但跨中弯矩和剪力均较小。

模型2 ——拉杆拱

模型3中，撑杆对拱受力性能的改 善十分显著，拱跨中挠度、支座水 平位移、跨中弯矩和剪力均比模型 2大幅减小，拱轴力也得到一定的 改善，因此受力性能更为合理。

模型3 ——张弦梁

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形态定义

零状态

预应力态

工作态

零状态：无自重、无预应力； 预应力态：自重和预应力共同作用； 工作态：在预应力态受力的基础上，承受其他外荷载。 零状态是拉索张拉前的状态，实际上是指构件的加工和放样形态(也 称放样态);预应力态是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态(也 称初始态),亦是建筑施工图中所明确的结构外形；而工作态是外荷 载作用在预应力态结构上发生变形后的平衡状态(也称荷载态)。

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单榀张弦梁结构的受力性能

1. 格构式拱端部偏心受力的影响

模型1

模型2

计算结果比较

荷载“走捷径”的原则，下弦 杆件内力较大，相同截面情况 下，较易失稳。模型二可显著 减小支座尺寸及用钢量。

模型1 内 力/ kN 预应力态 414.5 250.9 200 工作态 296.9 263.6 349.3

模型2 预应力态 410.4 138.6 200 工作态 250.9 96.7 344.2

拱下弦最大轴力 拱下弦最小轴力 索 拉 力

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2. 斜撑杆的影响

模型1

模型2

模型3模型 模型1 模型2 模型3 模型4 水平位移/mm 95.3 87.6 87.3 60.0 挠度/mm 125.9 111.8 111.6 83.1

模型4

模型4在提高结构刚度、改善受力性能方面效果最佳

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双向张弦梁结构的受力性能

1. 与单向结构的比较

a) 60mx60m双向

b) 单向

优点：双向受力、侧向稳定性好；

c) 1-1 剖面

不足：刚度分布不均匀、不能充分发挥下部索杆体系作用；

原因：周边各榀厚度太小。