广州国际会展张弦梁桁架结构的分析

广州国际会展张弦梁桁架结构的分析

一、主展览厅屋顶结构张银梁结构是由拱梁（骨架）、弹簧和支撑杆组成的平面支撑结构。充分发挥钢索承受能力强、拱结构抗压性好的特点，结构荷载合理，可以达到较大的跨度。广州国际会展中心位于广州市海珠区琶洲岛,博览区占地面积38万m2,北临珠江,西连华南快速干线、南新港东路等交通主干道,是广州市二十一世纪的标志性建筑。上部结构由钢筋混凝土框架和钢结构屋盖两部分组成。主展览厅共5个单元,每个单元的屋面结构如图1所示,共由6榀一端为固定铰支座,另一端为水平滑动支座的张弦桁架结构构成,跨度为126.6m,是目前国内跨度最大的张弦桁架。结构计算简图如图2所示,腹杆与弦杆、撑杆与弦杆的连接均为铰节点。图中KL1为ϕ168×6,KL2为ϕ168×9,KL3为ϕ273×9,KS1为ϕ325×8,钢索由337根ϕ7钢丝组成。所有桁架杆件均采用圆钢管,节点均为空间相贯节点,钢材采用Q345B。除张弦桁架自重外,梭形桁架每根上弦承受竖向均布恒载标准值为8.25kN/m,活载标准值为2.25kN/m,相当于屋面恒载标准值为1.1kN/m2(包括除张弦桁架自重外的所有恒载),活载标准值为0.3kN/m2。考虑到每榀张弦桁架的一端为固定铰支座,另一端为水平滑动支座,且屋面板的构造亦允许与桁架及檩条有一定程度的滑动,故温度的作用可以不计。每榀张弦桁架的中心间距为15m。主檩条为H500×200×10×16,水平投影檩距为5m。屋面支撑为ϕ219×6.5,满堂布置在檩条所在平面内。张弦桁架端部支座采用铸钢节点,如图3所示。二、张弦桁架静力分析对于线性计算与几何非线性分析的差别,在计算小模型的弦的内力反应时,用线性分析是能够满足设计所要求的精度的。在上述前提条件下,小模型的张弦梁(桁架)结构的分析可分两个步骤进行:第一步是用线性有限元法计算仅外荷载作用下的反应;第二步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。与上述情况相比,本工程的张弦桁架跨度较大,高跨比也较小,似乎几何非线性的影响要大一些。因此对于该张弦桁架进行了静力计算的线性与几何非线性比较,线性计算采用了同济大学的3D3S钢结构分析设计软件和STRAND7.0,几何非线性分析则采用了STRAND7.0,跨中挠度的计算结果如表1所示。计算结果表明,在不考虑索内预张力的情况下,对本工程而言,在工程设计的范围内几何非线性因素的影响是可以忽略不计的。如果把索的预张力作为一种单纯的工况来考虑,那么,当预张力较小时,几何非线性因素的影响也是很小的。这主要是由于上部的梭形桁架竖向刚度相对较大的原因。然而,当上部的桁架或梁刚度较小或施加的预应力很大以至于结构的变形大到已经改变了原来的基本形状时,就必须考虑几何非线性因素的影响了。三、交叉稳定分析对于平面桁架而言,由于侧向刚度较小,往往需要设置侧向支撑以保证整个屋盖结构的稳定。从本质上看,本工程的索桁架体系仍属平面受力体系,它的侧向刚度较小。但考虑到本工程中梭形桁架为一局部空间结构,且上下弦均为贯通的钢管,所以屋面的H型钢檩条能够提供足够的约束能力以阻止桁架的侧倾,如图4所示。侧向的水平位移则通过设置满堂的水平交叉支撑来约束。从上述定性分析看来,桁架本身是足够稳定的。在本工程中,撑杆的上下端均设计成双向铰接,上端支承于桁架之上,下端靠拉索来支承。当撑杆内轴向压力较大时,似乎撑杆存在着出平面外的不稳定趋势,为了阻止这种趋势的出现,一般都倾向于采用类似于侧向支撑的交叉稳定索。实际的分析结果表明,在绝大多数情况下结构是一个自平衡的稳定体系,一般不会出现出平面外的失稳。由于实际工程结构较复杂,为了从概念上说明这一点,采用了一个简单的单撑杆的索梁体系的算例来证明,计算简图如图5所示。按稳定分析的一般概念,首先对该结构进行静力分析,得出各杆件内力如图5所示。假定撑杆下端B有一个出平面外的微小位移Δ,如图6所示,因为撑杆的轴力等于索的竖向合力,它对于上端支点A而言,所产生的使下端支点B出平面外的弯矩为M1=(69.7×sin9.46°)×2×Δ=22.9Δ,而索的水平合力的作用则是使下端支点B回复到平衡位置,它所产生的弯矩为M2=(69.7×cos9.46°×Δ/6)×1.5×2=34.4Δ,可见M2要大于M1,亦即趋使撑杆回到平衡位置的能力要比出平面的能力大,所以可以认为撑杆是稳定的。当然,上述计算的前提是撑杆必须有足够的刚度而不会在结构整体失稳之前失稳。实际上撑杆内的轴力都不是太大,一般能够满足建筑要求的杆件尺寸都能满足撑杆稳定性的要求。相应地多撑杆的索桁架结构也可以用类似的方法来考虑。为了计算图2张弦梁在线弹性条件下的临界荷载,本文利用STRAND7.0对该模型进行了稳定分析。当荷载系数为22.3时(即临界荷载为设计荷载的22.3倍时),结构的失稳模态如图7所示,最先发生屈曲的杆件为桁架中部的上弦杆(它的刚度储备较少)而非撑杆的平面外失稳。实际上,当荷载系数为22.3时,结构已超出了线弹性和强度极限的范围而发生了破坏,所以在设计荷载作用下结构不会发生失稳破坏。从理论上来看,对这类结构的稳定问题并不能简单地将索-桁架-撑杆人为地割裂开来单独计算。较为精确的计算方法应该是按照统一的整体结构进行分析,这是因为桁架(即使包括了屋面的支撑体系)并非一个无限刚性的体系,故而理论上的临界荷载要比本文所述方法的还要略微小一些。但显而易见的事实是,在工程应用的范围内,索桁架结构所承受的荷载要远比临界荷载小得多,而且屋面体系本身也具有足够的刚度,以致于它的影响可以不予考虑了。四、大力施加预应力索内预应力的作用是使结构反拱以增大索桁架结构的竖向刚度,从而降低结构的竖向位移。但索的张拉必然给桁架附加一个额外的轴向压力和弯矩。相对于预应力为零的情况,这种变化会增加上部桁架的内力和索的轴向拉力,从而增加整个结构的用钢量。对于本工程126.6m跨的张弦桁架,计算了上述两种情况。预应力为零时,张弦桁架结构的用钢量为51.5kg/m2,综合位移Z=448.5mm;索内的预拉力为600kN时,结构用钢量为70kg/m2,综合位移为0。当风荷载与结构自重相比较小时,风的吸力不足以使索退出工作,可以考虑在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处。从经济角度来看,通过施加预应力来提供额外的反拱值,似乎是得不偿失的。当风的吸力较大时可采用稍重一些的屋面或在索内施加少量的预应力来保证索的正常工作状态。本工程的模型风洞试验表明,屋面钢结构的风压体型系数和风振系数较大,风的吸力较为接近结构所受的恒载,某些接近边缘的部位还有可能超过。如果不考虑在弦索内施加一定预应力,那么在风的吸力作用下,弦索内就会失去拉力而退出工作,这对于结构内各杆件的共同工作是很不利的。另一方面,由于弦索本身所固有的特点,在加工和运输过程中弦索可能会有一些扭曲变形,当弦索内拉应力没有达到一定的数值时,弦索就会出现扭曲变形。根据其它类似工程的情况和弦索制造厂家的试验结果,对于ϕ140的钢绞线弦索,只要能保证在最不利的荷载组合情况下仍有150～200kN的张拉力,弦索即可基本拉直张紧。与竖向荷载作用下弦索内的张力3600kN相比,这个预应力度是相当小的。在标准值为200kN的预应力作用下,如果仅考虑恒载和活载的作用,设计各杆件的控制轴力标准值如表2所示。五、张拉和吊装设计的确定及实施张弦桁架结构受力明确合理,自重轻,构造简单,施工方便,能够达到较大的跨度,非常适合本工程的实际情况。在保证任何工况下弦索都能参与结构整体工作的条件下,在设计时选用了较小的预应力度(200kN左右,根据现场的实际张拉情况可以有一些微量调整),既保证了结构具有足够的竖向刚度,又能节约一定的用钢量。而对于屋面结构整体稳定的精确分析以及用钢量与预应力度之间的关系,有待进一步研究。根据本工程的实际情况,经过与相关单位的多次讨论和协调,初步确立了“一次张拉,局部微调”的张拉施工方案,即先在胎架上一次