一维张弦梁结构的稳定分析

第13卷第3期2007年9月

SPATIALSTRUCTURES

空　间　结　构

Vol.13No.3Sep.2007

一维张弦梁结构的稳定分析

姜正荣,王仕统

(华南理工大学土木工程系,广东广州510640)

摘　要:张弦梁结构由拱、撑杆和拉索组合而成,近年来在大跨度工程中得到了日益广泛的应用.其结构特点是索受拉、撑杆为受压二力杆、拱为压弯构件.本文结合已建实际工程,对一维张弦梁结构的拱和撑杆的稳定性能进行定性分析,并对风吸力作用下的稳定问题进行探讨,可供工程设计者参考.关键词:张弦梁结构;杂交结构;稳定分析;风吸力作用

中图分类号:TU394　　　　　　　文献标识码:A　　　　　文章编号:1006-6578(2007)03-0026-03

Stabilityanalysisofplanebeamstringstructure

JIANGZheng-rong,WANGShi-tong

(CivilEngineeringDepartment,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

:Beamstringstructure,composedofarches,strutsandcables,hasbeenwidelyusedinlarge-Abstract

spanstructuresrecently,inwhichcablesaresubjectedtoaxialtension,strutsaresubjectedtocentralcom-pressionandarchesarebeam-columnmembers.Inthispaper,accordingtopracticalengineering,thesta-blebehaviorsofarchesandstrutsinplanebeamstringstructurehavebeenanalyzedqualitatively,aswellasthestabilityunderactionofwindsuctionforce.Theconclusionsobtainedmaybeusefultodesigners.　　　　　　　

Keywords:beamstringstructure;hybridstructure;stabilityanalysis;actionofwindsuctionforce　　张弦梁结构(BeamStringStructure,简称BSS),首先由日本大学M.Saitoh教授在20世纪80年代初提出,它得名于“弦通过撑杆对梁进行张拉”这一基本形式[1].张弦梁结构由拱、撑杆和拉索杂交而成,三者形成自平衡体系.张弦梁结构通过撑杆减小拱弯矩和挠度的同时,由弦抵消拱端推力,充分发挥拱形结构的受力优势和高强索的抗拉特性,从而实现大跨结构.由于张弦梁结构的高跨比一般取1/10,与一般梁式结构无异,因此,一维张弦梁结构的跨度不宜过大.

钢结构设计一般受稳定控制,而非强度控制.文献[2]采用几何非线性有限元法探讨了单榀张弦梁结构的平面内外稳定性,并通过对相关参数的改变,如垂跨比、高跨比、撑杆数目和拉索的预拉力等对结构稳定性能的影响进行了分析.本文结合已建工程实践,对一维张弦梁结构的拱和撑杆的稳定性能进

收稿日期:2006-06-07.

作者简介:姜正荣(1971—),男,江苏盐城人,讲师,博士研究生,主要从事大跨度空间结构研究.

行定性分析.

将一维张弦梁按不同方式进行布置,可形成空间张弦梁结构,即双向、多向、辐射式和弦支穹顶[3].因张弦梁交叉布置,侧向约束比一维张弦梁加强,结构呈空间传力体系,但节点处理较复杂.

1　拱的侧向稳定

一维张弦梁结构中,拱的侧向刚度小,易出现平面外失稳,因此需在各榀平行布置的张弦梁之间设置纵向连接构件(StiffeningMember),从而形成一

维张弦梁结构(图1).纵向连接构件为各榀一维张弦梁结构提供侧向支承点,屋面荷载由各榀一维张弦梁结构单向传递.纵向连接构件一般采用高强拉索,并对其施加预应力,防止其松弛,以保证拱的侧向稳定

[4]

.

　第3期

姜正荣,等:一维张弦梁结构的稳定分析

和满布刚性支撑的做法值得研究.

27

1997年建成的上海浦东国际机场候机楼是我国首次采用的一维张弦梁结构,最大跨度82.6m,间距9m,结构剖面如图3(b)所示,实腹式拱由三根平行方管组成,中间主弦为400×600×18焊接方管,两侧副弦为300×300×6方管,由两个冷弯槽钢焊成,主副弦之间由短管相连.

当拱受压翼缘的自由长度l1与梁宽b之比满足限值,可不验算整体稳定[7].由文献[6],最大跨度的

[5]

[6]

图1　一维张弦梁结构

广州国际会展中心主展厅张弦梁屋盖,间距15m,由5个单元组成,屋面结构布置如图2所示,采用满布水平交叉刚性支撑( 219×6.5圆管),并铺设H型钢檩条(H500×200×10×16)来保证格构式拱的侧向稳定.拱采用倒三角形断面的格构式钢管桁架(图3(a)),相对于单根杆件的实腹式截面,其侧向稳定性可得到改善.文献[5]分析认为,H型钢檩条能够提供足够的约束能力以阻止格构式拱的倾斜(图

4).

办票厅张弦梁屋盖R2,侧向水平交叉支撑的最大间距l1=29.15m,b=3.3m,l1/b=8.8 13,则拱的侧向稳定可不验算.全国农业展览馆中西广场展厅张弦梁屋盖[8]亦采用格构式拱,结构跨度77m,在两侧支座和中部1/3处共设置了4道通长的倒三角桁架作为纵向垂直支撑,l1=25.67m,b=2m,则l1/b=12.8<13,格构式拱的侧向稳定亦可得到保证.

2　撑杆的稳定

广州会展中,撑杆的上下端均设计成铰接,当轴压力较大时,撑杆存在平面外的失稳趋势.文献[4]的分析结果表明,绝大部分情况下结构是一个自平衡的稳定体系,一般不会出现撑杆平面外的失稳.下面以一简单的单撑杆张弦梁模型进行说明(图

5).

图2　

单元屋面结构布置

图5　

单撑杆模型

图3　

张弦梁剖面图

图4　檩条对格构式拱转动的约束作用

事实上,由于满布水平交叉刚性支撑,广州国际

会展中心主展厅张弦梁屋盖格构式拱的上弦和支撑已形成刚性屋盖,几乎不可能出现图4所示的侧向变形,但这样做显然不经济.经估算,屋面支撑和檩条的用钢量为25kg/m,由此可见,檩条的经济跨度

2

图6　撑杆变形图

首先对结构进行静力分析,得到各构件在均布

荷载q作用下的内力.设拉索的张力为T,其水平分力和竖向分力分别为TcosT和Tsin,由撑杆的平T

的向力,

28

空　间　结　构　　　　　　　　　　　　　　　　第13卷　

以在结构安装就位后进行,这一方法作用明确,简单易行,费用也较低.

如果风吸力远大于屋盖自重,若仍采用杆件内灌浆的方法,一来未必足以平衡风吸力,二来附加的巨大质量对抗震也极为不利.考虑到风荷载的不确定性,大跨度屋盖应对难以准确定量的灾害性天气有较大的抗力余量,可采用设置抗风索的措施.为了消除抗风索过大的垂度,减小索的振动,每根抗风索施加70～85kN的预拉力[6].抗风索对屋盖的“加载”效应不大,而对改善张弦梁结构的抗风稳定性十分有利.

[6]

2Tsin.假定撑杆下端支点B有一个出平面外的微T

小位移Δ(图6),对于撑杆上端支点A而言,拉索张力T的竖向分力使撑杆出平面的弯矩为M1=2Tsin·Δ.而拉索张力T的水平分力则使撑杆产T生回复到平衡位置的弯矩,其大小为M2=2(TcosT·Δ/l)·(h1+h2),则稳定安全系数

k=M2/M1=(h1+h2)/(l·tgT)=1+h1/h2

从上式可以看出,当h1>0,即张弦梁矢高为正时(图7(a)),k>1,M2>M1,驱使撑杆回到平衡位置的能力比出平面的能力大,从而认为撑杆处于稳定平衡状态,不会产生平面外的失稳;当h1=0时(图7(b)),k=1,撑杆处于随遇平衡状态.由此可见,拱的矢高与索的垂度之比h1/h2对结构撑杆的稳定起着重要的作用,h1/h2越大,撑杆的稳定性越好

.

4　结　语

(1)一维张弦梁结构的拱的侧向刚度较小,须设置刚性侧向支承,并使l1/b满足规范限值.

(2)只要拱的矢高为正,撑杆不会产生平面外的失稳.

(3)为防止风吸力作用下拉索松弛而使结构失效,应根据具体情况采取不同的抗风吸力措施.

图7　不同矢高 …… 此处隐藏：3097字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……