張弦梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

張弦梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展

1彎彎合成張銀梁結(jié)構(gòu)是近年來提出的一種新興的結(jié)構(gòu)形式。其最初是由“將弦進行張拉,與梁組合”這一基本形式而得名(圖1)。目前已有多種基本結(jié)構(gòu)形式,且都得到了應(yīng)用(圖2)。但各種形式張弦梁結(jié)構(gòu)在組成上具有共同點,那就是均通過撐桿(常作成鏈桿)連接抗彎受壓構(gòu)件(如梁、拱、桁架)和抗拉結(jié)構(gòu)(如索)。所以又有人將張弦梁結(jié)構(gòu)定義為用撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件,通過在抗拉構(gòu)件上施加預(yù)應(yīng)力,減輕壓彎構(gòu)件負擔的自平衡體系。張弦梁結(jié)構(gòu)合理地將各種構(gòu)件(抗拉、抗壓、抗壓彎)組合在一起,充分發(fā)揮了其各自的材料力學性能,因而整個體系具有許多良好的受力性能。例如,弦的預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反撓度,故結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度可以減小,從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。撐桿對抗彎受壓構(gòu)件提供彈性支撐,改善后者的受力性能。壓彎構(gòu)件通常采用拱,由弦承受拱的水平推力,減輕拱對支座產(chǎn)生的負擔。所以張弦梁結(jié)構(gòu)是一種特點突出的大跨結(jié)構(gòu),具有良好的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。目前,張弦梁結(jié)構(gòu)在國外的應(yīng)用非常廣泛。例如,在日本和德國等國家,從中小跨度到150m的大跨度結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)都有所應(yīng)用。我國大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)剛開始采用。有代表性的工程有上海浦東國際機場航站樓屋蓋,復(fù)蓋進廳(R1)、辦票廳(R2)、商場(R3)和登機廊(R4)四大空間,其支點的水平投影跨度分別為49.3m,82.6m,44.4m和54.3m,張弦梁結(jié)構(gòu)的間距為9m,縱向總長度R1,R2和R3為402m,R4為1374m。張弦梁的上弦由兩根平等方管組成,中間主弦為400×600焊接方鋼,兩側(cè)副弦為300×300方鋼,由兩個冷彎槽鋼焊成,主副弦之間由短管相連。斜鋼柱為雙腹板工字柱,按18m軸線間距成對布置,由于與張弦梁不在同一平面,在柱端及張弦梁間設(shè)置一寬度為1700mm、高度為1300mm的縱向空間桁架,上下弦及腹桿均為焊接方管。采用群索設(shè)置方案以解決上下弦及腹桿的系統(tǒng)橫向不穩(wěn)定狀態(tài)和提高縱向剛度。上海浦東國際機場航站樓張弦梁結(jié)構(gòu)是法國安特魯?shù)姆桨?但華東建筑設(shè)計院作了很大的改進和創(chuàng)新。另外還有廣州國際會展中心屋蓋的壓彎構(gòu)件采用鋼桁架結(jié)構(gòu)(跨度達126.6m)。2拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計張弦梁結(jié)構(gòu)根據(jù)其組成各部分結(jié)構(gòu)形式和組成方式不同可分為三種基本類型:張拉直梁、張拉拱和張拉人字型拱。三種基本結(jié)構(gòu)類型相比較,張拉拱結(jié)構(gòu)形式最為合理。因為拱結(jié)構(gòu)從受力角度來說可以提供較大的跨度空間,但是對支座的要求比較高,而索能承受很大的拉力,故可以減少支座的水平反力,改善支座的受力狀態(tài),從而可以跨越更大的跨度。從使用角度講,張拉拱結(jié)構(gòu)形式的拱形不但美觀而且實用,近年來隨著膜結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)與興起,用膜作屋面材料,用該結(jié)構(gòu)作屋面支撐,不但美觀輕巧,而且采光性能良好,在體育館、展覽館、大型商業(yè)活動中心等建筑中得到廣泛的應(yīng)用。3雙向張弦梁結(jié)構(gòu)根據(jù)單榀張弦梁結(jié)構(gòu)的不同布置方式、不同的傳力特點,按照平行布置、雙向垂直布置、多向交叉布置和輻射布置,可以將其空間結(jié)構(gòu)形式分成四類:單向張弦梁結(jié)構(gòu),雙向張弦梁結(jié)構(gòu),多向張弦梁結(jié)構(gòu)和輻射式張弦梁結(jié)構(gòu)。將數(shù)榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)平面布置,用連接構(gòu)件將每相鄰兩榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)在縱向進行連接(通常采用撐桿或預(yù)應(yīng)力索),即為單向張弦梁結(jié)構(gòu)(圖3)。雙向張弦梁結(jié)構(gòu)是將數(shù)榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)沿橫縱向交叉布置而成(圖4),其中一個方向為主要受力方向,另一個方向主要為其提供出平面支撐。多向張弦梁結(jié)構(gòu)是將數(shù)榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)多向交叉布置而成(圖5),結(jié)構(gòu)呈空間傳力體系。輻射式張弦梁結(jié)構(gòu)是由中央按輻射式放置拱,拱下設(shè)置撐桿,撐桿與環(huán)向索或斜索連接(圖6)。這四種結(jié)構(gòu)中,單向張弦梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點最簡單,最便于拼裝施工,因此目前應(yīng)用較廣,但是出平面穩(wěn)定性相對較差,是其最大缺點。雙向、多向張弦梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好,但是節(jié)點制作、安裝過于麻煩,限于施工技術(shù)水平,目前在我國還沒有得到應(yīng)用,國外也應(yīng)用較少。輻射式結(jié)構(gòu)比較適合圓形建筑形式。張弦穹頂有時也被作為張弦梁結(jié)構(gòu)的一種形式。但是,目前的研究大多認為,張弦穹頂?shù)膫髁Α⑹芰μ攸c空間性更強、更復(fù)雜,因此,該類結(jié)構(gòu)應(yīng)該被歸為索桿體系。4有限元計算方法的建立目前,不同的研究對張弦梁結(jié)構(gòu)提出了不同的力學模型?？偟膩碚f有兩種:一種模型將撐桿連續(xù)化,將整個結(jié)構(gòu)看作是特殊的魚腹梁;另一種模型將梁(拱)離散成若干單元,用有限元方法進行分析。陳漢翔對張弦梁結(jié)構(gòu)提出如下假設(shè):(1)材料符合虎克定律;(2)拱梁與索之間的聯(lián)系撐桿是連續(xù)分布的,即把拱梁與索之間的離散力簡化為連續(xù)分布的作用力,并假定這些連續(xù)撐桿是剛性的,不考慮其軸向變形;(3)曲梁的曲率半徑與截面高度之比R/h≥5,符合小曲率構(gòu)件假設(shè);(4)僅考慮小垂度和豎向荷載作用。基于上述假設(shè),考慮幾何非線性的影響,列出以下平衡方程:H10d2z1(x)dx2+r0(x)=0(1)H20d2z2(x)dx2+d2M0(x)dx2?r0(x)=0(2)Η10d2z1(x)dx2+r0(x)=0(1)Η20d2z2(x)dx2+d2Μ0(x)dx2-r0(x)=0(2)位移方程:z1(x+u10)+z10(x)+w10(x)(3)z2(x+u20)+z20(x)+w20(x)(4)w10(x)=w20(x)(5)變形協(xié)調(diào)方程:[1+H101+(dz10dx)2?????????√/{E1A1}]1+(dz10dx)2?????????√=du10dx+(dw10+dz10)22(dx)2(6)[1+H201+(dz20dx)2?????????√/{E2A2}]1+(dz20dx)2?????????√=du20dx+(dw20+dz20)22(dx)2(7)[1+Η101+(dz10dx)2/{E1A1}]1+(dz10dx)2=du10dx+(dw10+dz10)22(dx)2(6)[1+Η201+(dz20dx)2/{E2A2}]1+(dz20dx)2=du20dx+(dw20+dz20)22(dx)2(7)根據(jù)基本假設(shè)(3),并忽略拱梁剪切變形的影響,可得拱曲率變化與彎矩的關(guān)系式如下:d2w20/dx2=-M0(x)/E2I(8)式中z10(x),z20(x)——表示結(jié)構(gòu)變形前索和曲梁的曲線;z1(x),z2(x)——表示結(jié)構(gòu)變形后索和曲梁的曲線;u10(x),z20(x)——均為x的函數(shù),分別表示索和拱梁的水平位移;w10(x),z20(x)——索和拱梁的豎向位移;r0(x)——為撐桿的作用力,以受壓為正;H10,H20——索和曲梁截面上合力的水平分力,以離開截面方向為正,H10由施工張拉的預(yù)應(yīng)力大T確定,為已知量;M0(x)——曲梁截面的彎矩,以使曲梁變平為正;E1,A1——索的彈性模量和橫截面面積;E2,A2——曲梁的彈性模量和橫截面面積。聯(lián)立以上各式,結(jié)合邊界條件即可求解。張弦梁結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力的階段和使用荷載階段的計算都可以采用以上各式。該方法很好地體現(xiàn)了張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特性,采用的理論比較完善,基本假設(shè)與實際工程相符。但是由于考慮幾何非線性,采用理論公式計算解析解并不現(xiàn)實,從而不適合工程應(yīng)用,而目前計算機的普及使得采用數(shù)值方法解決相關(guān)問題非常方便。采用有限元方法建立結(jié)構(gòu)計算模型可以將張弦梁結(jié)構(gòu)離散化為梁單元、索單元和桿單元。編制有限元程序時,對梁可以直接采用曲線形式,也可以將梁單元直線化,采用多段直線單元形式。對撐桿,采用二力桿單元。對下弦索,要考慮其幾何非線性,建立單元剛度矩陣和整體剛度矩陣,借助計算機進行求解。在施工階段,由于拉索的預(yù)應(yīng)力還未施加,張弦梁結(jié)構(gòu)的幾何非線性特點十分突出。采用目前大型商業(yè)計算軟件分析張弦梁結(jié)構(gòu),一些設(shè)計理論與方法較難明確把握,因此目前很多學者基于幾何非線性理論,自行編制有限元計算程序求解。使用階段,結(jié)構(gòu)的幾何非線性問題相對不突出,有研究指出,在跨度不大的情況下,張弦梁整體結(jié)構(gòu)的幾何非線性可以忽略。因為拱的剛性比索的柔性影響大的多,而且使用工程拉索預(yù)應(yīng)力提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度,因此可以不考慮整體結(jié)構(gòu)幾何非線性的影響,可按線性分析。這時,可以很方便地使用目前成熟的有限元軟件(SAP2000,ANSYS,ALGOR等)建立張弦梁結(jié)構(gòu)的有限元模型,然后計算該結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的各單元內(nèi)力和各節(jié)點位移。此外,還有研究是將撐桿連續(xù)化或者將結(jié)構(gòu)離散化,然后從能量的角度分析張弦梁結(jié)構(gòu)的受力和變形。5高強穿心球節(jié)點張弦梁結(jié)構(gòu)有三種特點不同的連接:①撐桿和上部抗壓彎構(gòu)件的連接。目前常用螺栓球節(jié)點。該節(jié)點形式不傳遞彎矩,從而使撐桿只受到軸力,這對于節(jié)點的受力、撐桿的穩(wěn)定性很有利,而且施工簡單、快速。如需傳遞彎矩可作為剛性處理,則采用焊接空心球節(jié)點(小跨度張弦梁結(jié)構(gòu)常采用這種結(jié)構(gòu))。②弦和撐桿的連接。目前常采用高強穿心球節(jié)點形式,該節(jié)點為兩個半球形,中間留有索的通道,施工穿索后將兩半球用螺栓緊緊連接,同時將索卡緊。③弦和壓彎構(gòu)件的連接。這種節(jié)點也可采用高強穿心球節(jié)點,或者將索穿過拱后錨固(常用于混凝土拱)。由于張弦梁結(jié)構(gòu)是平面自平衡體系,故在施工時可采用以下方法:全部地面組裝,利用千斤頂?shù)仍O(shè)備整體吊裝;部分地面組裝,另一部分借助腳手架或其它方式高空裝配;滿鋪腳手架高空裝配等方法。常用的施工方法是第一種,即全部地面組裝然后整體吊裝。后兩種方法不易施工拼裝,而且質(zhì)量難以保證,除非不便于吊裝,一般不會采用后兩種方法。張拉施工過程中要對張弦梁結(jié)構(gòu)施加很大的預(yù)應(yīng)力,由于索的柔性影響,結(jié)構(gòu)的變形較大,有研究專門提出了求解張拉前后