张弦梁结构的有限元分析
第4卷 第4期空 间 结 构1998年11月 张弦梁结构的有限元分析a
刘锡良 白正仙
(天津大学 天津300072)
摘 要 本文介绍了新型大跨空间结构——张弦梁结构,并提出用线性及几何非线性混合单元有限元法分析张弦梁结构的方案,通过计算分析表明了本文方案的正确性及合理性,本
文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。
关键词 张弦梁结构 混合单元有限元分析 线性分析 几何非线性分析
一、引 言
平面张弦梁结构(Beam String Structure,简记为BSS)是由拱梁、弦及撑杆组合而成的平面承力结构(图1)。将其适当布置,可形成受力合理,施工、运输方便的膜屋面的支撑结构,即空间BSS(图2)。张弦梁膜结构具有自重轻,透光性好,节省能源,降低使用费用并造型美观等优点,在日本已经广泛应用于跨度达到150米的大跨结构,并在下雪量大的地区也得以应用。可是有关张弦梁结构的文献目前很少,文献[1]对张弦梁结构进行了理论及实验研究,但文献中只给出理论结果、实验过程及结果,而未涉及理论分析的具体内容;文献[2]则从有效控制弦的拉力的角度进行了讨论分析。为将张弦梁这种受力性能良好的结构引入到我国,并改进采用,进行张弦梁结构的分析讨论是有意义的。
图1 平面BSS图2 空间BSS
本文根据张弦梁结构的特点,提出用混合单元有限元法进行分析的方案,即提出将拱梁近似离散为若干直梁元,撑杆视为与拱梁刚接的梁元(或与拱梁铰接的杆元),连接杆和弦视为不
a文稿收到日期:1997.12.22。
能受压的杆元的力学模式。用通用有限元软件ALGOR92对文献[1]给出的实验模型进行了线性及几何非线性分析计算,将计算结果与文献[1]的结果进行了比较,证实了本文提出的力学模式的正确性及研究方法的合理性。本文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。
二、定性分析
拱式结构主要以拱轴向压力形式传递荷载,传力途径短而明确,是结构效率高的平面结构体系。拱结构的一大缺点是对支座的外推力较大,对支座的锚固要求较高,并且,拱结构的支座外推力随着跨度的增大而增大。当拱式体系用于大跨结构时,支座处理的困难也随之加大。BSS则通过在张弦梁两端张拉弦的办法,使弦负担拱产生的外推力。并且通过撑杆对弦施加预应力以使拱梁产生与使用荷载作用时相反的位移,从而部分抵消外载的作用,所以BSS是充分发挥拱型及索材优势的有效结构。
三、计算分析
1.程序的验证
本文拟用通用有限元程序ALGOR92,进行BSS的结构分析。为证实通用程序在线性分析及考虑预应力的几何非线性分析时的有效性,先用其计算了文献[3]中的算例。算例是网格数为9×9的预应力正放四角锥网架的计算模型。计算中将网架杆件、下撑杆及预应力构件均视为杆元。文献[3]分初始加载阶段、预应力阶段和继续加载阶段等三个阶段作了计算。在前两阶段不考虑预应力构件的刚度;在继续加载阶段考虑了预应力构件的刚度。初始阶段的节点荷载为0.5kN(包括自重),继续加载阶段为1kN。预应力值取为8kN。
本文先用线性分析方法计算了节点荷载为1kN的没有预应力构件的网架的反应;接着用几何非线性分析方法计算了考虑预应力构件的网架的反应,即分两个增量步:第一步荷载取到0.0001kN,以便计算预应力的效应,第二步取到1kN。收敛精度取0.001。第一步迭代二次收敛,而第二步迭代一次就收敛了。本文采用的支座条件是两相临边为铰支座,另两相临边为滑动支座;弹性模量是2.06×105N/mm2。图3(d)～(e)给出了上弦节点挠度图,图中的虚线和实线分别表示考虑和不考虑预应力的结果,圆形标记和三角形标记分别表示文献[3]和本文的结果。图3(a)～(c)只给出了与文献[3]内力分布图相应的本文的结果。表1给出内力对比情况。
从图3(a)～(e)及表1可见,本文计算
结果与文献[3]中的值稍有差别,这可能与支座条件,计算参数如弹性模量等取得不一致及计算步骤不一致等等有一定的关系,但本文结果仍然很好地反映了施加预应力后结构刚度提高,内力分布改善,挠度减小的规律,并且本文结果与文献[3]结果差异之小,足以满足分析精度。由以上的分析计算及文献[4]可证实ALGOR92软件
表1 预应力网架与普通网架内力对比表
预应力网架普通网架
文献[3]本文文献[3]本文最大拉力(kN)16.1313.6821.6317.45最大压力(kN)-12.51-13.64-10.75-15.64
在进行杆系结构的线性分析及考虑预应力的几何非线性分
析时的适用性。
2.算例条件
为方便比较,采用与文献[1]一致的单位及相同的算
例。分两种模型,模型一为平面BSS,尺寸见图4a;模型二为
空间BSS,是将两榀平面BSS平行布置而成,尺寸见图4b。
材料情况见表2。
表2 BSS材料情况
拱梁撑杆索连接杆
尺寸60.5×3.221.7×2.87×7(á8)RB-á6
面积A(cm2) 5.76 1.660.310.2826
惯性矩I
(cm4)23.70.7586—0.0063
x
(cm4)23.70.7586—0.0063
惯性矩I
y
弯曲模量Z(cm3)7.840.699—0.0211
弹性模量E(kg/cm2) 2.1×106 2.1×106 1.6×106 2.1×106
将每一段拱梁等分为三个直梁元,即拱梁共离散为十
二个直梁元,每一段弦及连接杆视为杆元,撑杆视为梁元或
杆元。拱梁端约束情况为D x D y D z R x R z和D y D z R x R z,连接杆
端视为固接,即D x D y D z R x R x R z。将文献[1]中的面均布荷载
转化为拱梁元结点集中荷载,面载10kg/m2相当于9.6kg的
拱梁节点集中荷载。
3.线性分析
用ALGOR92中的不同类型单元组合的有限元计算方
法,对模型一、模型二分别作了线性分析。对空间BSS分两
种工况作了分析,即A、B弦所在的拱梁均受力和仅A弦所
在的拱梁受力,这相当于文献[1]中的全跨均布荷载和部分
均布荷载的情况。通过计算发现,撑杆视为杆元时弦的张力
比视为梁元时的稍微大,因实际结构撑杆与拱梁的连接刚
度是处于刚接与铰接之间,故本文只给出偏于保守的视为
杆元的情况,结果见图5、图6。图中符号意义见表3。
由图5及图6可知,本文的计算结果与文献[1]的理论及
实验结果符合较好,但无论对模型一,还是模型二,本文的
弦的拉力均小于文献[1]的值,这说明本文提出的力学模式
假设的强度稍大于实际结构。
图3 网架算例内力挠度图
图4 模型尺寸
表3 图5、6中符号意义
4.几何非线性分析
空间BSS,必须在连接杆施加足够的预应力,防止其松弛,保证其对拱梁的侧向支撑作用,否则由于拱梁侧向刚度小,会很快失稳,丧失承载能力,所以连接杆的预应力对结构性能的影响是显而易见的。线性分析没有考虑构件预应力对内力分布的影响,所以本文采用考虑预应力影响的几何非线性有限元法做了进一步的研究,目的是为讨论只用线性方法分析BSS是否可以满足设计要求。上面的线性分析,是以在连接杆和弦施加预应力后,所达到的预应力平衡状态(即图4给出的尺寸)作为参考构型进行的;而做几何非线性分析时,则将其假设为是初始无预应力的状态。因为在预应力作用下,变形是微小的,故这种假设是合理的。几何非线性分析采用了U L描述法。
首先,在连接杆中施加预应力,计算只有预应力时的结构反应。文献[1]未给出连接杆的预应力,故本文用试算法,求得在33.6kg/m2的使用荷载作用下,保证连接杆不松弛所需的预应力作为连接杆计算初始预应力,取200kg,在收敛精度为0.0001时,仅迭代两次就收敛了。
计算得出,在预应力作用下,变形最大处节点的位移是2.7mm,仅是跨度的0.5%,这就是说,预应力作用下,张弦梁结构的变形是微小的,所以本文将初始无预应力态的构型与预应力平衡态构型作为同一构型考虑是合理的。
接着,进行在预应力及拱梁节点集中力作用下的混合单元几何非线性有限元分析,分五个增量步,第一增量荷载取0.001kg,以便求出只在连接杆施加预应力后,弦中产生的内力;其它增量荷载取10kg。在收敛精度为0.001时,第一步迭代两次就收敛,其它步一次迭代就收敛了。
最后,将各步产生的弦的拉力减去第一步的弦的拉力,就是弦在拱梁节点集中力作用下的内力反应。对连接杆预应力取不同的值,进行计算,发现弦内力值是确定的,不随预应力而变化。并且连接杆内力及节点位移也具有这种规律性,即几何非线性分析的预应力和梁节点集中荷载共同作用下的反应减去仅预应力作用下的反应与相应线性分析结果一致。本文几何非线性分析结果与线性分析结果见图7、图8。
图7 均匀分布荷载与弦的拉力的关系图8 部分均匀分布荷载与弦的拉力的关系
由图7、图8看出,本文的线性和非线性分析的弦内力反应差别很小,所以计算小模型的弦的内力反应时,用线性分析足以满足要求。
5.位移分析
文献[1]未提及变形问题,本文在此给出平面BSS和空间BSS两种工况下进行线性及非线性分析时,a,b,c三个节点的位移情况,见表4。
由表4可看出,平面BSS侧向刚度很低,故空间BSS中,连接杆的作用是举足轻重的,而在连接杆中施加足够的预应力后,整体空间BSS的刚度是较大的。由于分析的是小型的计算模型,加之施加的荷载不是很大,故各节点位移小,似乎结构具有良好的变形刚度,但关于刚度与构件尺寸、材料强度及预应力等等的关系还需要进一步的探讨。
表4 节点的位移情况
荷载(kg/m2)
节点a(mm)节点b(mm)节点c(mm)
D x D y D z D x D y D z D x D y D z
平面BSS100.39-637.7-1.020.40-264.5-0.970.7800空间BSS
线性工况一
200.52-0.40-1.160.5-0.32-1.34 1.0400空间BSS
线性工况二
200.18-0.21-0.460.17-0.17-0.460.3500
空间BSS 非线性工况一
预应力0.81-0.87-2.460.86-0.51-2.04 1.6200 20+预应力 1.36-1.30-3.70 1.38-0.83-3.40 2.7200 200.55-0.43-1.240.52-0.32-1.36 1.1000
空间BSS 非线性工况二
预应力0.81-0.87-2.460.86-0.51-2.04 1.6200 20+预应力0.99-1.10-2.95 1.04-0.68-2.52 1.9800 200.18-0.23-0.490.18-0.17-0.480.3600
四、结 语
由本文的分析可以得出以下结论:
(1)张弦梁结构是发挥了钢索材料高抗拉性及拱型结构良好抗压性的新型空间结构体系,结构受力合理,构件数少,运输及施工方便。
(2)本文提出的将张弦梁结构的拱梁离散为直梁元,撑杆为杆元,连接杆及弦为不能受压杆元的力学模式是正确的,分析方案是合理的。本文提出的用现成通用有限元程序分析张弦梁结构的建议,有利于尽快了解和掌握其性能,以便工程应用。
(3)张弦梁结构的分析可分两步骤进行,第一步骤是用几何非线性有限元法,计算仅有预应力作用下的结构的反应;第二步骤是用线性有限元法计算仅外荷载作用下的反应;第一步与第二步结果叠加,就是结构实际的内力反应和位移反应。
(4)平面张弦梁结构侧向刚度差,必须设置侧向支撑。
参考文献
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FINITE ELEMENT ANALYSIS
OF BEAM STRING STRUCTURE
L iu X iliang Bai Z heng xian
(T ianjin U niver sity)
Abstract Beam St ring Str uctur e(BSS),which is a new kind o f larg e-span space str uct ur e,is intr oduced in this paper.A n ana ly sis method fo r t his st ructure,using linear and nonlinea r finite element met ho d of co m-po site elements,is pr oposed.T he cor rection and r atio na lit y of the pro po sition is pr o ved by calculat ion and study in the pa per.T he paper w ill contr ibut e to pra ct ice of BSS.
(上接第63页)
APPLICATION OF SPATIAL STRUCTURE ON
AIRCRAFE MAINTENANCE DOCK
AR N OL D H Y u
(T aikoo(X iamen)A ir craft Eng ineering Co L td)
Ding Yunsun
(Hig h L ig ht Co nsultant Collabo ra tor s)
Abstract T his is a br ief intr oduction of Spa tial st ructure using on T A ECO’s air craft maintena nce dock. Here w e also g iv e a summ ary of t he a ircr aft maint enance dock function,the maintenance do ck spatial st ruc-ture and the jo ints.
张弦梁找形与结构分析
张弦梁找形与结构分析 摘要：本文在阅读了相关文献的基础之上，粗略的介绍了张弦梁的一些基本知识、找形方法和结构分析的一些成果。 关键字：张弦梁；找形；结构分析； 张弦梁（Beam String structure,BSS），是一种大跨度空间结构体系，是由上部刚性构件（一般为梁、拱）、中间撑杆和下弦拉索中组成的一种自平衡体系。其结构受力特点有：索受拉力，撑杆为受压二力杆、拱为压弯构件。加之，预应力的引入，使得三者之间相互平衡，能够形成有有机的受力整体，使得结构材料的力学性能得到最大的发挥，有利于承载力的提高。 然而对于张弦梁而言，由于只有在张拉完毕之后，各组成部分才会形成受力整体，结构整体拥有较大的刚度，而在张拉过程之中，结构刚度较弱，随着预应力的加载，会有较大的变形。这就导致了，张弦梁不能像一般的刚性结构一样施工放样，存在着找形问题。 Figure 1张弦梁结构示意图 1找形分析 1.1相关概念 对于张弦梁找形问题，需要明确以下三种概念[2]： 零状态几何：体系在无自重、无外荷载、无自内力的情况下的几何形态。其仅对上部结构梁单元构件的下料长度有意义，对下弦索和竖向压杆建议采用应力下料。 初状态几何：体系在自重、屋面附加恒荷载、全部或一半屋面活载和自内力情况下的几何构形。其力学意义在于考虑结构常态荷载，即重力荷载和预应力共同作用下，体系上部结构各构件的内力最小，全部或部分控制节点的竖向位移为
0，即体系上部结构重力场作用下引起的变形和内力为最优。 荷载态几何：体系在各种作用组合工况下的几何构形。 目前较为一般的观点认为，应取初状态几何为计算参考构形且初状态几何等价于建筑设计几何。三种几何状态的先后关系，一般为零状态下料施工到初状态几何，初状态结合进入使用阶段进入荷载态几。而一般设计都从初状态几何切入，找到零状态几何，然后再由此上前。 1.2张弦梁形状确定问题 确定下弦索的曲线形状和竖向杆的布置和数量是找形分析的重点。文章[2]，采用局部分析法确定初状态几何下，全部竖杆的设计预内力的分布和水平，然后由下部索杆体系的拓扑几何关系推出矩阵H确定竖杆下节点的竖向坐标。对水平间距相等的竖杆，在设计预应力相等的情况下，下弦索的曲线形状为二次抛物线，并做出了简单的推导。 1.3预应力模拟方式 在张弦梁结构中，用有限元模拟预应力主要有三种方式[13]，如下： 力模拟法，通常是在两端索段加上力来模拟预应力。其能够比较好的模拟张拉过程中，索力—位移曲线，但不能进行施工阶段的加载分析。 初应变模拟法，通过某些索段或者整个索段施加初应变，来施加预应力。能够实现预应力张拉完毕后，接着进行施工阶段的加载分析。但它只能用于一次预应力张拉施工，无法完成实际工程中多次预应力张拉。 等效降温法，是根据物体的热胀冷缩特性, 对张弦梁下弦的钢索进行降温使之收缩，对收缩进行限制从而产生了下弦受拉、腹杆受压、上弦受到压弯作用的效果, 于是便可有效地模拟施加预应力的张拉过程。能够很好的模拟预应力张拉过程，完成多次张拉预应力，并且保证结构的完整性，在结构张拉完毕之后，可以进行荷载态分析。但得到的结构初状态对后续的计算存在温度差值的影响[4]。 1.4找形方法 张弦梁找形，解决的是怎样从给定某个与拉力范围的初状态几何逆算出零状
预应力找形找力
为了使张弦梁结构在施加了预应力和重力荷载产生变形后其形状为设计的形状, 需要进行找形分析算出结构的原始形状, 作为杆件的下料依据. 找形分析也称为初始平衡问题, 进行找形分析的方法有: 物理模型实验方法；非线性有限元法;支座位移法;力密度法;动力松弛法等。 根据张弦梁结构不同的荷载状态, 结构形态可以分 3 种. 零状态 ( 又称放样态 ): 预应力索尚未张拉时结构的状态. 此时杆件中应力为零, 故称为零状态;初始态 ( 又称预应力态 ) : 预应力索张拉完毕时结构的状态;荷载态:预应力索张拉完毕并且外荷载也施加完毕时结构的状态.对于索中预应力的大小，可以根据预应力度和相应的索力设计准则来确定,因此张弦梁的找形分析就属于第二种找形分析:在给定预应力分布状态的情况下,寻找零状态几何形状. 文献 [ 1 ] 提出了逆迭代法进行张弦梁的找形. 逆迭代法需要多次的非线性迭代、试算, 要求有一定的计算经验, 才能减少试算次数. 同时在这种方法中以固定的力来代替结构中的索, 结构的刚度并未考虑索的贡献. 找形结束后, 模型不能直接应用于结构的后续荷载态分析. 文献 [ 2 ] 应用 AN S Y S 基于逆迭代法的原理对一榀单向张弦梁进行找形. 该方法适用于上部为型钢梁的平面张弦梁结构, 要求结构具有对称性.实际上, 上弦梁的形式通常是立体桁架. 在桁架中由于斜腹杆的存在使结构产生不对称的位移. 当应用AN S Y S 中的 U P GEO M 命令时, 将使变形误差得到累积, 而给下一次的计算增加了结构初始变形缺陷, 在非线性计算时结构将
由于失稳而停止; 计算过程中仍然需要重新建立模型; 计算中依然以力代索, 没有考虑索的刚度, 模型不能直接应用于后续分析如上所述, U P GEO M 命令将撑杆在每一次计算后的侧向偏移量累加到零状态的节点坐标, 使撑杆在非线性计算时产生失稳而使计算不收敛. 解决这个问题有 2 种方法: 在找形时, 保持撑杆的平面外坐标 ( Z 轴向 ) 不变, 只改变平面内 ( X、Y 轴向 ) 的坐标值; 在找形时, 对撑杆的上下节点在侧向 ( Z 轴向 )上施加单向位移约束. 对一榀单向张弦梁按以上两种方法进行找形, 两种方法所得出来的结点坐标是一致的. 对于双向张弦梁, 由于横向索和纵向索的相互影响, 采用 L i nk8 杆单元无法收敛, 可以用梁单元beam 44 来代替杆单元. 计算结果表明, 应用梁单元来模拟撑杆, 可以保证非线性计算收敛. 在实际的结构中, 撑杆的上弦同上部梁是铰接的, 采用梁单元计算将加大结构的刚度. 对一榀张弦桁架分别用梁单元和杆单元来模拟撑杆. 计算结果表明, 模型中采用梁单元模拟撑杆进行计算时, 上弦构件、撑杆和索的各项内力小于杆单元模型, 但是两者的差别非常小. 因此可以采用梁单元来模拟双向张弦梁中的撑杆. 在找形时, 可以先采用杆单元来模拟撑杆, 对撑杆的上下两端施加双向位移约束, 使撑杆在竖向自由. 找形结 束后, 去掉撑杆两端的约束, 并换用梁单元模拟撑杆进行计算; 也可以直接用梁单元模拟撑杆计算, 此时可不在撑杆两端施加约束 参考文献: [ 1 ] 张其林, 张莉, 罗晓群. 预应力梁 - 索屋盖结构形状确定 [ C ] / / 第九届空间结构学术会议论文集. 北京: 中国建筑科学研究院建筑结构研究所, 200 0 : 387 - 39 4 .
张弦梁结构
关于张弦梁结构 日本一家游泳馆的馆顶就是张弦梁结构 前天在“西班牙的奥伦塞千禧桥”的文章中谈到了张弦梁结构，一些朋友问我什么是张弦梁，以及受力特性。在此，借博客再进一步说说，做一些概念上的说明。 张弦梁结构早期由前南斯拉夫和日本学者各自独立提出。南斯拉夫学者称之为双弦结构（Two Chord Structure），日本学者则称为张弦梁结构（Beam String Structure），目前在中国还是以张弦梁的叫法为主。 在中国，张弦梁结构的架设是在上个世纪九十年代。国内第一次应用就是1999年在上海浦东国际机场的航站楼，最大跨度的水平投影长度82.60米。后来，在广州国际会议展览中心、哈尔滨国际会议中心、北京全国农业展览馆中心及国家体育馆先后采用了张弦梁结构。 张弦梁结构主要由柔性索和刚性梁或拱、再加上撑杆组成。其中梁或拱作为结构的上弦部分，索作为结构下弦部分，通过预应力及撑杆的作用形成张弦梁整体结构，预应力锚固在上弦杆两端部。
从受力来看，由于张弦梁结构的下弦索预应力作用，有向径向作用力，这个力通过撑杆传递到上弦杆下部，形成了对梁体或拱的弹性支撑。所以在相同荷载作用下，对于同样的结构如果有张弦梁支撑会使结构内力大为降低，从而达到减少截面面积，降低结构自重减少材料用量的目的。从另一个方面来说，由于张弦梁的作用也是结构的跨越能力得以提升，所以在大跨度的厂房，候机厅及体育馆所都会优先考虑张弦梁结构。 张弦梁结构的特点可以归纳出这几个方面。结构简单，受力明确，轻盈而通透，跨越能力达，便于工厂化制造、运输及安装；对于空间的张弦梁结构更是刚度大、稳定性好。故此，张弦梁在大跨度的工业与民用建筑中广泛的应用，新建桥梁上应用目前只是一种起步，相信以后会作为结构一部分加以利用或作为独立结构架设。 2007年在上海的时候，在浦东国际机场候机，就发现了张弦梁结构。当时只是没有像今天感觉这样深刻，也没有今天这种认识深度。出于本能，还是拿出了单发数码拍了下面的几张照片。今天看来，我的第六感官仍在起着作用，只是在有形与无形之间那种潜意识的东西一直在向外涌出，支撑着我对自己专业的思考与执着。 西班牙的奥伦塞千禧桥在主跨跨中就用到了张弦梁，不过它是以斜拉结构加劲的辅助结构出现的。所以，在桥梁加固工程上根据现场情况有可能用到张弦梁，把它作为一种技术的手段还是很可行的！
张弦梁的结构特点
大跨度张弦梁的结构特点 提 要：张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。结构由 抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉 索组成，自重较轻，可以跨度很大空间。 本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和研究现状的基础上，对需要研究的 课题提出建议。 关键词：张弦梁，施工控制，结构稳定，振动 一概述 大跨度张弦梁结构（Beam String Structure ，简称BSS 是近十余年来快 速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。 结构由刚度较大的抗弯构件（又称 刚性构件，通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件，通常为索）以 及连接两者的撑杆组成；通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有 整体刚度的结构，如图1所示。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件 抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻， 体系的刚度和形状 稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。一般说来，尽管张弦梁的梁、拱和 桁架截面可为空间形状，但结构的整体仍表现为平面受力结构。同时，张弦梁的 组合亦可构成空间受力结构，如 1991年日本建造的天城穹顶就是以张弦梁为基 本受力单元组合成的空间穹顶结构（1）。 张弦梁结构已经应用于若干实际工程中。 二十世纪九十年代，在日本建造了 诸女口 Green DomeMaebashi ，OgasayamaDome Urayasu Municipal Sports Hall 等十几座类型各异的以张弦梁为主要受力结构的场馆，其中 Gree n Dome Maebashi 的平面尺寸达167X 122m （2）。1997年建成的上海浦东国际机场候机 张弦梁
张弦梁结构
精心整理张弦梁结构的历史、现在和未来 一、简介? 张弦梁也称弦支梁，属于张弦结构的一种。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。其拉索的作用主要是通过刚性撑杆给刚性梁提供弹性支撑，减小梁跨度，减少刚性梁的弯矩峰值，进而起到增加刚度，减小挠度的作 1851 1979年Madrid 二、 表1。 分别对3个模型施加沿跨度方向15kN/m的均布线荷载，将拱梁（曲梁）离散为20个相等的直梁元，其上的线荷载等效为节点荷载，分10个相等的荷载增量步，其计算结果的比较见表2。
型2 （1 （2 （3 （4）张弦梁结构与预应力双索体系（由承重索、相反曲率的稳定索即两者之间的联系杆共同组成的平面预应力体系）比较，张弦梁结构所需的预拉力要小得多，因而使支撑结构的受力大为减小。如果在施工过程中适当分级施加预拉力和分级加载，将有可能使张弦结构施于支撑结构的作用力减到最小限度。 对张弦梁结构的受力特点从不同的角度可理解为： （1）理解一：张弦梁结构是在双层悬索体系中的索梁基础上，将上弦索替换成刚性构件而产生的。这样处理的好处是上弦刚性构件可以承受弯矩和压力，一方面可以提高梁的刚度，另一方面结构
中构件内力可以在其内部平衡（自平衡体系），而不再需要支撑系统的反力来维持。 （2）理解二：张弦梁结构是用拉索替换常规梁的受拉下弦而形成的结构体系，这种替换的有点事不仅梁的下弦拉力可以由高强度拉索来承担，更为重要的是可以通过张拉拉索在结构中产生预应力，从而达到改善结构受力性能的目的。 （3）理解三：张弦梁结构是体外布索的预应力梁，通过预应力来改善结构的受力性能。 张弦梁结构的工程应用： （1）国外工程应用： 如英国 1 距5m 2 3 大屋盖的4 5） 90m。 6 合作设计完成。 日本掘之内城镇体育馆 除了以上介绍的工程外，还有一些张弦梁工程较为典型，如日本大学理工学部CST大厅、日本山梨学院悉尼纪念馆游泳馆、日本大海中学体育馆以及日本唐户市场等。 （2）国内工程应用： 自20世纪90年代后期由于张弦梁结构的优越性，国内的张弦梁结构工程如雨后春笋般蓬勃发展。其中代表性的工程有：
基于midas的张弦梁结构有限元分析
基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析 基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析 摘要：本文结合某社区游泳馆屋盖的张弦直梁的选型进行了分析。运用有限元软件MIDAS分别从张弦梁的高跨比以及撑杆个数与下弦预拉力的关系，分析自振模态与撑杆数目的关系，从而综合各个指标对梁结构进行了优化设计。 关键词：张弦梁，梁截面高度，撑杆数量，自振频率 Abstract: In this paper, the selection of a straight beam-string in a community swimming pool has been studied using FEM software MIDAS. The height-span ratio and the relationship between pole number and the pre-tension as well as self-vibration modes is research based on FEM method. Based on the result, the design of the structure is optimized. Key words: string beam, beam section height, pole number, self-vibration frequency 中图分类号：TB482.2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012） 1 引言 某社区游泳馆的跨度为20.8m，原方案的屋盖为H型钢梁为主承重构件，次梁也为H型钢，屋面板为压型钢板为衬板的组合屋面板。由于跨度和空间的局限，原方案采用了较为传统的屋架梁作为主承重构件，为满足结构的应力和挠度要求，选择截面高度为1.6m。相对来说占据了较大的游泳馆的使用净空，而且从观感来说整个结构会欠缺轻盈。为此，本文提出一种较为新型的梁形式，张弦梁结构。由于该工程跨度较小，在原方案的基础上，上弦依然采用H型钢梁，增加了下弦的高强张拉索，所以降低了整个梁截面的高度和上弦梁H型钢梁的截面厚度。 2 张弦梁概念 张弦结构体系中最早出现的是张弦梁结构，它是由梁、柔性下杆、撑杆三类构件组成[1]，属于刚柔并济的结构形式。当张拉下弦的高
张弦梁结构知识
张弦梁结构简介 ]张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景。 张弦梁结构的受力机理 目前，普遍认为张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。 所以，张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的桁架或拱而使体系的刚度和稳定性大为加强。并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。如果在施工过程中适当的分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少的最小限度。 张弦梁结构的分类 张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。 平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构。 直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。 空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构。 单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定
张弦梁的结构特点
大跨度张弦梁的结构特点 提要：张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。结构由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉索组成，自重较轻，可以跨度很大空间。本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和研究现状的基础上，对需要研究的课题提出建议。 关键词：张弦梁，施工控制，结构稳定，振动 一概述 大跨度张弦梁结构（Beam String Structure，简称BSS）是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件，通常为索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，如图1所示。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。一般说来，尽管张弦梁的梁、拱和桁架截面可为空间形状，但结构的整体仍表现为平面受力结构。同时，张弦梁的组合亦可构成空间受力结构，如1991年日本建造的天城穹顶就是以张弦梁为基本受力单元组合成的空间穹顶结构 (1) 。 张弦梁结构已经应用于若干实际工程中。二十世纪九十年代，在日本建造了诸如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall 等十几座类型各异的以张弦梁为主要受力结构的场馆，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸达167×122m (2) 。1997年建成的上海浦东国际机场候机
楼是我国首次将张弦梁结构应用于超大跨空间结构中，其最大跨度达82.6m (3) ；目前在建的广州国际会展中心也在屋盖体系中采用张弦梁结构，其最大跨度达126.5m；拟建的深圳会展中心，其张弦梁结构跨度也将达124m。张弦梁结构在我国的研究和应用尚处于初级阶段，本文拟简单介绍张弦梁结构的结构特征、成形过程和若干理论问题的研究现状，并在此基础上对需要进一步研究的课题提出建议。 二张弦梁的结构特征 张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面，是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构 (4) ，这种结构具有以下特征： ⑴承载能力高 张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。例如，当刚性构件为梁时，在梁跨中设一撑杆，撑杆下端与梁的两端均与索连接，如图2(a)所示。在均布荷载作用下，单纯梁内弯矩见图2(b); 在索内施加预应
辐射式张弦梁结构动力特性初探
辐射式张弦梁结构动力特性初探 摘要：根据工程实例，结合实际应用的节点和连接方式，进行三维有限元建模，采用sap2000瞬态时程动力分析模块，应用hiber-huges-taytor(hht)法方法对辐射式张弦梁结构的线性时程分析进行了初步研究，得到了ei-centro波激励下的顶点位移和结构水平剪力的时程曲线，进一步研究了hht法系数的取值不同对时程曲线的影响程度，研究结果表明在地震波的激励下结构的时程曲线性质基本相同，在激励时间内表现稳定，结构的抗震性能良好；结构x方向的位移和剪力建立大于y方向的位移和剪力；hht法中的系数对计算有一定的影响程度，在应用此法进行结构的时程分析时，要试算其影响程度，以消除对结果的影响，以满足工程设计的要求。 关键词：辐射式张弦梁，线性时程分析，动力特性，hht法 中图分类号：k928.78 abstract: according to the project, combined with the actual application nodes and connection mode, three-dimensional finite element model, the sap2000 transient dynamic analysis module, the application of hiber-huges-taytor ( hht ) method was studied for the analysis of linear structure of zhang xianliang radiation type, time history curves of displacement and structure of horizontal
张弦梁结构设计相关要素分析
张弦梁结构设计相关要素分析 发表时间：2018-07-16T11:13:30.077Z 来源：《基层建设》2018年第16期作者：郑程 [导读] 摘要：本文首先对张弦梁结构及其受力的机理进行了简要的阐述，着重分析了矢高比与垂跨比、上弦梁、下弦索、预应力、风吸力等对张弦梁结构的影响问题，并对张弦梁结构分析方法做了简要介绍。 聊城大学 摘要：本文首先对张弦梁结构及其受力的机理进行了简要的阐述，着重分析了矢高比与垂跨比、上弦梁、下弦索、预应力、风吸力等对张弦梁结构的影响问题，并对张弦梁结构分析方法做了简要介绍。 关键词：张弦梁；受力机理；影响因素；局部分析 The relevant factor analysis of beam-string structure Abstract：In this paper，the structure of the Beam-string is briefly introduced， and the mechanism of stress is briefly described.The influence of vector height ratio and vertical span ratio，upper chord，lower chord，prestress and wind suction is analyzed. Keywords：Beam-string structure，structural mechanism，influencing factors，local force analysis. 概述：随着社会经济的进步和发展，公共室内活动空间的需求与日俱增。这些需求带动了建筑结构体系，特别是大空间结构体系的发展。张弦梁结构正是在这样一种研究背景下，逐步发展起来的一种优良的空间结构体系。 1.张弦梁结构 张弦梁结构主要由柔性索和刚性梁或拱、再加上撑杆组成。其中刚性梁或拱作为结构的上弦部分，预应力索作为结构下弦部分，锚固在上弦杆两端部，通过施加预应力和撑杆的作用形成张弦梁整体结构。压弯构件和抗拉构件互相取长补短，协同工作，达到自平衡状态，充分发挥了每种结构材料的作用。 1.1受力机理 从结构受力来看，由于张弦梁结构的下弦索预应力作用，有向径向的作用力，这个力通过撑杆传递到上弦杆下部，使上弦压弯构件产生反向挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的推力，从而减少滑动支座的水平位移。在相同荷载作用下，对于同样的情况下如果使用张弦梁结构会使结构内力大为降低，从而达到减少截面面积，降低结构自重的目的。 2.影响结构受力性能的因素 2.1 矢高比与垂跨比影响 垂跨比是下弦索的垂度和结构跨度的比值，高跨比是上弦梁的矢高和结构跨度的比值。随着垂跨比或高跨比的增大，除剪力外，梁的弯矩和轴力以及索的最大应力都将减小，同时结构的变形也减小，但半跨荷载下的变形幅度小于全跨荷载下的变形幅度，因此，当垂跨比达到某个特定值后，位移反应的不利荷载由全跨荷载转为半跨荷载。 张弦梁结构的尺寸应尽可能采用大的垂跨比；高跨比的取值要考虑平面外风载作用的大小；选择合适的梁的尺寸和弦的面积，使梁的最大正应力和弦的最大应力同步达到材料极限状态，对弦施加一定的预应力以提高刚度。 2.2上弦梁的惯性矩及面积的影响 随着上弦梁的惯性矩的增大，全跨荷载作用下的变形几乎没有变化，但半跨荷裁下的变形显著减小，并且在全跨荷载作用下的最大正应力和半跨荷载下的梁的正应力也减小，所以通过增大梁的惯性矩，来提高半跨荷载下的刚度及结构受力性能是有益的。当梁截面面积的增大时，除梁的正应力有所减小外、其它内力及变形几乎没有变化，所以提高梁的面积，对结构受力性能的改善并不明显。 2.3下弦索的面积及预应力的影响： 随着下弦索的面积的增大，索的变形和内力显著减小，梁的正应力也趋向于减小，但幅度不大，所以单纯增大弦的面积，虽然能提高结构体系刚度，但弦的材料强度不能充分利用。随着下弦索的预应力的增大，变形显著减小，拱的正应力也趋向于减小，但不明显，所以弦的预应力主要有助于减小变形。 2.4风吸力影响 大空间张弦梁结构的屋面体系通常采用轻质屋面板，质量较轻，当结构处于风荷载为主的工况作用下时，由于风荷载对结构产生的作用为向上的吸力，结构较为容易克服自重和屋面恒荷载的重量，使张弦梁结构出现向上的荷载作用，从而导致上下弦杆受力状态发生反转，使上弦受拉，下弦受压。因此在风荷载较大的地区采用张弦梁结构时，应对结构零状态（结构放样前）、初始态（拉索张拉完毕）及荷载态（发生变形后的平衡状态）三种状态进行分析，综合考虑结构的变形及上下弦索同时张拉等问题。 当风荷载与结构自重相比较大时，由于风的吸力作用会使索退出工作，因此，在考虑风吸力基础上设计结构时可以采取以下措施：（1）增加下弦拉索的预拉力、钢结构加工时先给予一个预计的反拱值，使结构受力后达到设计的位置。（2）配重法：可采用稍重一些的屋面。（3）增加竖向抗风索：可以在跨中设置拉索，既能解决一定的负风压问题，还能增加平面张弦梁结构的平面外稳定性。 3.局部分析法的基本假定和主要步骤 3.1局部分析法的基本假定： 在对结构下部拉索张力体系的自应力模态和机构位移模态进行计算时，应假定上部梁系结构是刚体，连接节点均为铰接点。 3.2局部分析法的主要步骤： （1）将张弦梁结构体系中的上弦梁、下弦索、杆分离，对结构体系进行分块处理，将与上部结构相连接的锁杆体系的铰接点全部施加固定约束，使其成为独立的结构。 （2）对下部的锁杆体系进行内力分析，因而可以得到体系的独立的自应力模态、独立的机构位移模态，这样可以将独立的自应力模态进行组合，于是下部结构的初始预应力分布就可以得到。 （3）将所求得的下部结构及相连接单元的内力加到上部结构上，对上部结构进行平衡方程的求解或用目前被广泛采用的有限元进行线性分析都可以得到上部结构的内力分布。
一个张弦梁工程实例的探讨
一个张弦梁工程实例的探讨 摘要 张弦梁结构最早是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，按其结构形式可将其分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。本文所涉及的结构即为平面张弦梁结构的张拉拱形式，本文通过对现场的工程实例中出现的实际问题及其分析、解决办法进行介绍，并分别从设计和施工两个角度分别对结构形式、钢拉杆张拉方案等设计本身及施工中实际遇到的问题进行剖析，从理论上提出了解决办法及其理论依据，并通过实践使解决办法得到了验证。 关键词：张弦梁张拉拱钢拉杆张拉 一、工程实例 1.1工程概况 北京某地铁线高架站站房屋架设计采用平面张弦梁张拉拱形式，上拱梁采用φ299×12mm钢管，材质为Q345B，张拉段梁长度为11.3m；柔性拉索采用Q650B 材质的φ40mm的钢棒拉杆，拉杆上端通过耳板与横梁下连接板销钉连接，下端通过耳板与竖向撑杆下端销钉连接，连接采用直径Φ40mm销钉；竖向撑杆上端设计亦采用Φ40mm销钉和拱梁连接，竖向撑杆为1根主杆为Φ83×7mm的钢管，各榀梁在横梁顶部沿屋架纵向用Φ102×5mm钢管系杆连接系杆横向间距4m。 设计施工图明确张弦梁初始态的上弦失高为34mm，拉索(杆)张拉力为124KN；拉杆的张拉采用旋拧拉杆两端的六角螺母施加预应力而进行。 工程实体照片及构件位置关系 1.2施工深化方案及产生问题 1.2.1施工深化方案 施工单位对设计图纸进行审图和深化设计，确定采用把张弦梁各组成部分采用散件吊装，进行高空拼接最后张拉的方案。因此，为了钢结构施工高空安装方便，深化设计时，竖向撑杆和拱梁销钉连接处的连接板间游隙预留为5mm；张拉杆采用厂制成品钢拉杆，按照设计拉杆尺寸定制专用张拉螺母，螺母设计按照螺纹沿杆轴方向承压600KN以上设计。 施工单位对横梁深化设计时，考虑结构自重、设计张拉力及初始态上拱值，使用结构软件利用反迭代法进行零状态的计算，确定放样状态。张拉钢拉杆预拉力采用扭矩—拉力转换的方式确定，利用经验公式扭矩T = KPd，系数K值由经
张弦梁结构的研究
张弦梁结构的研究 张弦梁结构由于其自身承载能力高,结构变形小,为自平衡结构,稳定性好及建筑造型灵活等优点,在国内外的大跨度结构设计中得到广泛的应用。就张弦梁结构的国内代表工程,形式与分类,结构性能与受力特性及找形分析进行概要阐述。 标签：张弦梁结构;结构性能;受力分析;找形 1 张弦梁结构在我国的代表工程 从20世纪90年代后期张弦梁结构在我国工程上首次应用于上海浦东国际机场航站楼的建设到2008年奥运会国家体育馆(双向张弦空间网格屋面结构)的建成,经历了30多年的发展。迄今为止,主要的代表工程有三个,均采用平面张弦梁结构。 1.1 上海浦东国际机场航站楼 该结构工程由主楼,高架进厅和登记长廊三部分四跨组成大跨度钢屋盖结构支撑现浇混凝土多层框架结构。主楼和高架进厅为连续三跨,屋架跨度由东向西分别为48米,80米和42米。纵向长度为411.6米,下弦为高强度钢索的梭子形钢屋架高低搁置,低端支撑在混凝土框架大梁上,高端通过托架支撑在呈倾斜状态的钢柱上。登机长廊跨度52米,屋架间距9米,主楼钢柱间设支撑索,长梁跨内设索群。 1.2 广州国际会展中心的屋盖结构 2002年建成,该屋盖张弦梁结构的一个重要特点是其上弦采用倒三角断面的钢管立体桁架。跨度为126.6米,纵向间距为15米,下弦拉索采用高强度低松弛冷拔镀锌钢丝。 1.3 黑龙江国际会议展览体育中心主馆屋盖结构 该建筑中部由相同的35榀128米跨的预应力张弦桁架覆盖,桁架间间距为15米。该工程张弦梁结构与广州国际会展中心的区别是拉索固定在桁架固定在桁架上弦节点,而没有固定在下弦支座处。张弦梁的低端支座支撑在钢筋混凝土剪力墙上,高端支座下为人字形摇摆柱。下线拉索采用冷拉镀锌钢丝。 2 张弦梁的形式与分类 张弦梁主要分为平面张弦梁结构与空间张弦梁结构。前者是指结构位于同一平面内,且以平面受力为主的结构。该结构又可分为直梁型张弦梁,拱形张弦梁和人字形张弦梁。直线型张弦梁是通过拉索和撑杆提供弹性支撑,从而减小上弦构
张弦梁结构的有限元分析
第4卷 第4期空 间 结 构1998年11月 张弦梁结构的有限元分析a 刘锡良 白正仙 (天津大学 天津300072) 摘 要 本文介绍了新型大跨空间结构——张弦梁结构,并提出用线性及几何非线性混合单元有限元法分析张弦梁结构的方案,通过计算分析表明了本文方案的正确性及合理性,本 文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。 关键词 张弦梁结构 混合单元有限元分析 线性分析 几何非线性分析 一、引 言 平面张弦梁结构(Beam String Structure,简记为BSS)是由拱梁、弦及撑杆组合而成的平面承力结构(图1)。将其适当布置,可形成受力合理,施工、运输方便的膜屋面的支撑结构,即空间BSS(图2)。张弦梁膜结构具有自重轻,透光性好,节省能源,降低使用费用并造型美观等优点,在日本已经广泛应用于跨度达到150米的大跨结构,并在下雪量大的地区也得以应用。可是有关张弦梁结构的文献目前很少,文献[1]对张弦梁结构进行了理论及实验研究,但文献中只给出理论结果、实验过程及结果,而未涉及理论分析的具体内容;文献[2]则从有效控制弦的拉力的角度进行了讨论分析。为将张弦梁这种受力性能良好的结构引入到我国,并改进采用,进行张弦梁结构的分析讨论是有意义的。 图1 平面BSS图2 空间BSS 本文根据张弦梁结构的特点,提出用混合单元有限元法进行分析的方案,即提出将拱梁近似离散为若干直梁元,撑杆视为与拱梁刚接的梁元(或与拱梁铰接的杆元),连接杆和弦视为不 a文稿收到日期:1997.12.22。
能受压的杆元的力学模式。用通用有限元软件ALGOR92对文献[1]给出的实验模型进行了线性及几何非线性分析计算,将计算结果与文献[1]的结果进行了比较,证实了本文提出的力学模式的正确性及研究方法的合理性。本文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。 二、定性分析 拱式结构主要以拱轴向压力形式传递荷载,传力途径短而明确,是结构效率高的平面结构体系。拱结构的一大缺点是对支座的外推力较大,对支座的锚固要求较高,并且,拱结构的支座外推力随着跨度的增大而增大。当拱式体系用于大跨结构时,支座处理的困难也随之加大。BSS则通过在张弦梁两端张拉弦的办法,使弦负担拱产生的外推力。并且通过撑杆对弦施加预应力以使拱梁产生与使用荷载作用时相反的位移,从而部分抵消外载的作用,所以BSS是充分发挥拱型及索材优势的有效结构。 三、计算分析 1.程序的验证 本文拟用通用有限元程序ALGOR92,进行BSS的结构分析。为证实通用程序在线性分析及考虑预应力的几何非线性分析时的有效性,先用其计算了文献[3]中的算例。算例是网格数为9×9的预应力正放四角锥网架的计算模型。计算中将网架杆件、下撑杆及预应力构件均视为杆元。文献[3]分初始加载阶段、预应力阶段和继续加载阶段等三个阶段作了计算。在前两阶段不考虑预应力构件的刚度;在继续加载阶段考虑了预应力构件的刚度。初始阶段的节点荷载为0.5kN(包括自重),继续加载阶段为1kN。预应力值取为8kN。 本文先用线性分析方法计算了节点荷载为1kN的没有预应力构件的网架的反应;接着用几何非线性分析方法计算了考虑预应力构件的网架的反应,即分两个增量步:第一步荷载取到0.0001kN,以便计算预应力的效应,第二步取到1kN。收敛精度取0.001。第一步迭代二次收敛,而第二步迭代一次就收敛了。本文采用的支座条件是两相临边为铰支座,另两相临边为滑动支座;弹性模量是2.06×105N/mm2。图3(d)～(e)给出了上弦节点挠度图,图中的虚线和实线分别表示考虑和不考虑预应力的结果,圆形标记和三角形标记分别表示文献[3]和本文的结果。图3(a)～(c)只给出了与文献[3]内力分布图相应的本文的结果。表1给出内力对比情况。 从图3(a)～(e)及表1可见,本文计算 结果与文献[3]中的值稍有差别,这可能与支座条件,计算参数如弹性模量等取得不一致及计算步骤不一致等等有一定的关系,但本文结果仍然很好地反映了施加预应力后结构刚度提高,内力分布改善,挠度减小的规律,并且本文结果与文献[3]结果差异之小,足以满足分析精度。由以上的分析计算及文献[4]可证实ALGOR92软件 表1 预应力网架与普通网架内力对比表 预应力网架普通网架 文献[3]本文文献[3]本文最大拉力(kN)16.1313.6821.6317.45最大压力(kN)-12.51-13.64-10.75-15.64
张弦梁结构的发展及应用
张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。结构由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉索组成，自重较轻，可以跨度很大空间。本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和在福州火车南站无柱站台雨棚中的应用。 关键词：张弦梁；施工控制；结构稳定；无柱雨棚 张弦梁结构的发展及应用
以福州火车南站站台雨棚为例 一、张弦梁结构特征 张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面，是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构，这种结构具有以下特征：（一）承载能力高 张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。例如，当刚性构件为梁时，在梁跨中设一撑杆，撑杆下端与梁的两端均与索连接，在梁内引起负弯矩。当预应力使梁的跨中弯矩也达到时，张弦梁结构中梁的最大弯矩最终只有单纯梁时最大弯矩的1/4。同时，调整撑杆沿跨度方向的布置，还可以控制梁沿跨度方向内力的变化，使各个截面受力趋于均匀。而且由于刚性构件与绷紧的索连在一起，限制了整体失稳，构件强度可得到充分利用。 （二）使用荷载作用下的结构变形小 张弦梁结构中的刚性构件与索形成整体刚度后，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多。 （三）自平衡功能 当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作。 （四）结构稳定性强 张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。同时，若适当调整索、撑杆和刚性构件的相对位置，可保证张弦梁结构整体稳定性。 （五）建筑造型适应性强 张弦梁结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择，而结构的受力特性不会受到影响。例如浦东国际机场屋盖上弦是焊接钢管组成的截面，结构外形如振翅欲飞的鲲鹏；广州国际会展中心屋盖上弦是空间桁架，结构外形如游曳的鱼。张弦梁结构的建筑造型和结构布置能够完美结合，使之适用于各种功能的大跨空间结构。 （六）制作、运输、施工方便 与网壳、网架等空间结构相比，张弦梁结构的构件和节点的种类、数量大大减少，这将极大地方便该类结构的制作、运输和施工。此外，通过控制钢索的张拉力还可以消除部分施工误差，提高施工质量。 二、工程概况 福州火车南站无站台柱雨棚面积78553平方米，分成3个区域，其中南北雨棚共有90根梁，地铁区高架通道有24根，每根钢梁分别有4个拉索撑杆。由于轨道呈非对称排列，163米的跨度分别由3根梁组成。福州火车南站雨棚采用张弦梁结构，张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。大跨度张弦梁结构（Beam String Structure，简称BSS）是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件，通常为索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。从受力来看，由于张弦梁结构的下弦索预应力作用，有向径向作用力，这个力通
张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述
张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述 发表时间：2017-08-17T15:10:48.987Z 来源：《基层建设》2017年第12期作者：肖攀[导读] 摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用。 武汉理工大学土木工程与建筑学院建筑与土木工程专业湖北省武汉市 430070 摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用，张弦梁结构是由撑杆、弦、和抗弯受压构件构成，是把预应力施加在弦上来改善抗弯受压构件的受力性能，形成一种自产自销的自平衡体系，因而受力合理、施工制造简单、运输方便，因而在应用前景上十分喜人。本文简要介绍了张弦梁结构的多个方面的的特征，回顾了以局部分析法为主的张弦梁结构分析设计方法。 关键词：张弦梁结构；结构分类；受力机理；局部分析法 1 引言 张弦梁结构是由日本大学M.Saitoh先生最早提出来的，可以说是一种新的混合屋盖体系。张弦梁结构顾名思义，最初是由“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式而得名。张弦梁结构一般都是由撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，其具有明确的受力，简单的结构体系等特点，并且制造运输施工较为简便，因而应用前景一片光明。我国在张弦梁的研究及应用还处于初级阶段中，本文简单介绍了张弦梁的特点及分类，并对目前较为流行的设计方法进行了简单的概括。 2 张弦梁结构的特点 2.1 张弦梁结构的分类 张弦梁结构可分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构，这是由它的受力不同决定的。平面张弦梁结构顾名思义，其结构构件位于同一平面，并且其受力以平面内为主。平面张弦梁结构以上弦的形状不同又可分为：人字型、直线型、拱形张弦梁结构。空间张弦梁结构是由平面张弦梁结构组成，主要分为：单向张弦梁、辐射式张弦梁、双向张弦梁、多向张弦梁。 2.2 张弦梁结构的受力机理 通常认为，由于张弦梁结构的下弦拉锁中施加了预应力，因而上弦压弯构件产生反向的挠度，导致结构的总挠度减小，并且上弦的压弯构件由于撑杆对其提供了弹性的支撑，结构的受力性能大大改善了。 如果忽略拉锁超张拉于结构中产生的预应力，那么它的受力特点实际上是和简支梁一样（图1）。从结构的内力来看，和简支梁一样，张弦梁结构也承受整体弯矩和剪力。竖向荷载下，张弦梁的整体弯矩和下弦构件的压力以及下弦拉锁形成的等效力矩相平衡。 张弦梁结构的整体剪力是由上弦杆承担，这是因为张弦结构仅仅只布置了竖向支撑，并且下弦拉锁不能承担剪力。张弦结构的下弦拉锁一般用的是高强度材料，例如钢绞线或半平行的钢丝束等，因此和普通材料的结构相比，它可以承受更大的拉力，从而张弦结构更适用于大跨度结构。 图1 简支梁与平面张弦梁结构的受力性能比较 （图中、分别为外荷载 0产生的截面整体弯矩和整体剪力） 3 张弦梁结构的分析设计方法 张弦梁这种复合结构也能采用有限元的方法进行分析，通过对荷载—位移曲线进行全过程分析，可以得到并分析结构的承载能力，撑杆的数目，弦的面积和应力等因素对结构性能的影响。张弦梁另一个关键的设计环节是如何确定初始状态下结构的预应力的分布和大小。基于此种考虑，有人提出了局部分析法来求初始预应力分布，即将锁、杆、梁单元分开，将结构进行分块计算。 3.2 局部分析法的基本假定和主要步骤 局部分析法的基本假定： （1当对结构下部锁杆张力体系的自应力模态和机构位移模态进行计算时，应假定上部梁系结构是刚体；（2）连接节点均为铰接节点。 局部分析法的主要步骤： （1）将混合结构体系中的梁同索、杆分离，将结构体系进行分块，将与上部结构相连接的锁杆体系的铰接点全部施加固定约束，使其成为独立的结构。 （2）对下部的锁杆体系进行内力分析，因而可以得到体系的独立的自应力模态、独立的机构位移模态，这样可以将独立的自应力模态进行组合，于是下部结构的初始预应力分布就可以得到。 （3）将所求得的下部结构及相连接单元的内力加到上部结构上，对上部结构进行平衡方程的求解或用目前被广泛采用的有限元进行线性分析都可以得到上部结构的内力分布。 3.4 张弦梁结构其余的一些分析设计方法 （1）平衡矩阵理论：对于包含两节点梁单元的空间杆系结构，可以用平衡矩阵理论提供理论支持，因而从理论上来讲，我们可以由结构体系的总体平衡矩阵来求解任意杆系结构的初始预应力分布。此理论最早是由英国剑桥大学Pellegrino教授提出来的，此方法用于确定一阶或高阶无穷小机构的初始预应力分布，是十分完整有效的。