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张弦空间桁架的静力性能及稳定性分析 专业：工程力学 硕士生：蔷晓静 箬导教撼吴敏哲教获 忻鼎康高级工程师 摘要 张弦梁结构最早是由日本大学m s a i t o h 教授提出。是种区别于传统结构的新型杂交屋 盖体系，霞裁这种结构在国内终的工程实践中逐灏得以应用，并蠢相继爨现了多秘新型张弦 梁结构。 本文首先圆顾了张弦梁结构的发展过程以及张弦梁结构的分类，阐述了研究这种新型结 构的目黪和意义。 本文分析了张弦梁结构的种新越体系一张弦空间桁架。采用a n s y s 程序对其主要的 静力性麓避行 黪# 。分析预应力& 施加对该结梅静力性能黪影响，及影响程凄。通过毙较在 初始态和荷载态下张弦空间桁架的受力性能，为进一步的施工控制做准蓊。并且本文i 丕| 研究 了在对称荷载和不对称荷载两种工况下，结构的受力性能随竖向撑杆数目、结构垂跨魄以及 下弦索预应力等参数改变时的交化情况，总结出该结构受力方露瓣特征，为实际工程设计提 供依据。 鉴于预应力是使张弦梁结擒形成自平衡俸系、具备较大网凌和体瑰结构髋麓优势缒关 键，本文研究和探讨了结构旋工各阶段该预应力大小的确定方法，通过一次张拉与二次张拉 方案各项指标的比较，选择适当的预应力张拉施工方案。 本文对张弦粱结构的稳定性进行系统的理论分孝子，分舅g 从局韶籀整体嚣个方面对络 句的 平面内及平面外稳定性进行探讨。在对结构整体平面内稳定分析时，采用初参数法进行理论 箍导。平面外稳定分析时，提出临界荷载的计算公式。 荚键词：张弦粱结构张弦空间桁架预应力初始态荷载态静力性能内力变形 张拉施i _ 方案稳定性初参数 d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i cs t u d ya n d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s o f s p a t i a l t r u s s s t r i n g m a j o r ：c o n s u u c f i o n m e c h a n i c s n a m e ：l v x i a o j 吨 i n s t r u c t o r ：w um i n z h ep r o f e s s o r x i n d i n g k a n g s e n i o r e n g i n e e r a b s i r a c t b e a m s 仃i i u g s t r u c t u r e 0 3 s s ) w a s i n t r o d u c e d b y m s a i t o h ，t h e p r o f e s s o r o f j a p a n u n i v e r s i t y i t i s a n e w h y b r i d r o o f s y s t e m d i f f e r e n t f r o m l r a d i l i o n a l s t r u c t u r e s o f a r , t h i ss t r u c t t t r e h a s b e e n a p p l i e d i n s o m e n e w t y p e b e a m s i r i n g s l r u c t u r e s f i r s t t h i s p a p e r r e l r o s p e c l s t h e d e v e l o p m e n t p r o c e d u r e o f b s s a n d t y p e o f b s s ，a n d e x p a t i a t e o l i j e c l i v e a n d8 e l l s e o f s t u d y i n g t h i s n e w s l r u c l t w e a n e w t y p e b s s - - - - s p a t i a l t r u s s s i t i n g i s a n a l y z e d i n t h i s p a p e r a n d i t i s m a j o r m e c h a n i c a l b e h a v i o r s a r e c o n c e i v e d b y a n s y s p m g r a m w e a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f e x e r d n g p r e s t r e s s i n g o n i t s d y n a m i c a l c t m a c 自e r i s t i c o f t h i s s l r u c 乜】：r e f o r c c m l m c f i o n c 伽t r o l , i t s c h a r a c 把f i s t c s i n i n i t i a ls t a t e a n d l o a d s t a t e a r e c o m p a r e d i n t h i s p a p e r t h e n w e a l s os t u d y t h e e f f e c t o f s t r i n g o n t h e d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c u n d e r t h es y r r a n e l r i c l o a d a r d n o t u n d e r t h e s y m m e l r i c l o a d a s t h e p r e s t r e s s i n g i s t h e k e y m a k i n g b e a m s l f i n g s t r u c t u r e t h e b a l a m e a l t e s y s t e m , h a v i n g l a r g e r i g i d i t y a n d e m b o d y i n g t h es u p e r i o r i t y o f d y n a m i c a l c h a r a e 自e f i s t i c o f t h i ss l r u c t u r e ，l i f t s p a p e r s t u d i e s a n d c o n c e i v e s h o w t o d e l e n n i n e t h e n u m b e r o f t h e p r e a r e m i n g i n e a c h s t a g e o f c c m s l r u c f i o n a n d t h r o u g h c o m p a r i n g b e t w e e n t h e p l a n o f o n e t i m e a n dr e p e a l - d p u l l i n g c c 删r o c t i o n c h o o s e t h es u i t a b l e p u l l i n gc o n s t r u c t i o n p l a r l t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e s t a b i l i t y o f b e a m s w i n g s t m c 衄r e w e d i s c u s s t h e s t a b i l i t y o f t h e p a r t a n d w h o l e o f t h i s s t r u c t u r e i n t h e p l a n e a n d o u t o f t h e p l a n e b e s i d e s t h i s p a p e r d e d u e e s t h e t h e o r e t i c a l f o r m u l a e a b o u t t h e s t a b i l i t y i n t h e p l a n e o f t h e w h o l e o f t h es l r u c t u r e a d o p t i n g t h e m e t h o d o f i n i t i a l p a r a m e t e r 0 n 血es t a b i l i t y o f t h i s s t m c l n r e o u t o f t h e p l a n , t h i s p a p e r r a i s e s t h e f o r m u l a e o f d e a d l o a d k e y w o r d ：b e a m s t f i n g s t r u c t u r e s p a t i a l t r u s s s t r i n gp r e s t r e s s i n g i n i t i a ls t a t el o a ds t a t e d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c i n t e r n a l f o r c e d e f o r m a t i o n p u l l i n g c a a s t r u c f i o n p l a ns t a b 俯t y i n i t i a l p a r a m e t e r i i 弓 声，明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 论文储戳：专叶醐： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 做作者虢导吁导师躲貉噍删川 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 1 张弦梁结构的概念 张弦梁结构( b e a ms 缸i i l gs m m n - c ，简称b s s ) ，是日本大学的m s a i t o h 教授在8 0 年代初 首先提出的，他将b s s 定义为“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系”。 张弦梁结构是近十余年来快速发展和应用的种新型大跨度空间结构，由刚度较大的抗 弯构件( 又称刚性构件，通常为梁或拱) 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j 阿柔性构件麓加预应力，使相互连接的构件形成具有整体刚度的结构。 如图l 1 l 所示。由于综合应用了网4 性构件抗弯冈岐大和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦粱 结构的自重相对较小。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。_ 般说 来。尽管张弦梁结构的上弦粱或拱截面可以为空间形状，但整体仍表现为平面受力结构。另外， 张弦梁结构的组合亦可构成空间受力体系，如1 9 9 1 年日本建造的天城穹顶就是以张弦梁结构 为基本受力单元组合而成的空间穹项体系“1 。 一 拱 + 粱 索 ： = = 7 张弦粱 图1 1 1 张弦梁结构组成示意图 1 ，1 2 张弦梁结构的分类 根据单榀的不同布置方式，张弦梁结构可以分为以下六类：单向张弦梁结构、双向张弦粱 结构、多向张弦梁结构、折线型张弦梁结构、辐射式张弦粱结构、张悬网壳。 1 1 2 1 平面张弦梁结构 张弦粱缘陶是通过对已有的结构型式进行改进和组合，即通过撑杆：蟹梁( 拱) 和索连成整 体共同受力的新型杂交结构。平面张弦梁结构有以下三仲基本类型( 见圈1 - i - 2 ) ： a 类：张拉直粱 b 类：张拉拱 c 类：张拉人字型拱 在上述三类张弦梁结构中，索和撑杆的作用不尽相同，应用范围也不样。张弦直梁通过 西安建筑科技大学硕士学位论文 撑杆提供弹性支撑。从而减少梁的弯矩，主要适用于楼板结构和小坡度屋面结构；张拉拱在撑 轩减少拱弯矩的同时，由索抵消拱端推力，充分发挥了拱的受力优势和高强度索的高抗拉性能， 从而实现大跨度结构甚至超大跨度结构，适用于屋盖结构；张拉人字型拱主要用弦来抵消拱端 推力，但是因其起拱较高，所以只适用于跨度较小的屋盖结构，比较容易实现东方传统的坡屋 顶建筑造型。 a 类：张拉直槊 b 类：张拉拱 、c 类：张拉人字型拱 圈1 一i 一2张弦粱结构的基本类型 1 1 2 2 空间张弦梁结构 一、单向张弦梁结构 将数襁张弦梁结构平行布置，用连接构件将相邻平嚣张弦梁结构沿级向连接，即为单向张 弦梁结构如图1 1 - 3 所示。由拱( a r c h ) ，撑杆( s t r e e t ) ，索形成的平面张弦梁结构和纵向连 接构件( s t i f f e n i n gm e m b e r ) 组成。日本五洋建设技术研究所建造的多功能试验楼、上海浦东 国际机场航站楼就属于单向张弦梁结构。 图卜l 一3 单向誊弦粱结构 图卜卜4 折线型张弦粱结构形式 在单向张弦梁结构中，连接构件为各榀平面张弦粱结构提供侧向支点，屋面荷载主要由各 榀平面粥玄梁结构单向传递整壹辫梅蓖平面传力体系级向j 奎 鲧孵锄主采用高强索，并要 对其旌加预应力，预应力的旌加和锚固都要在高空进行，施工有一定难度。 虽然单向张弦梁结构有以上不足，彳量单向张寻操结构自魏，徽操结构需传递野童蘅 2 西安建筑科技大学硕士学位论文 载不大，故所需的平面张弦梁结构的榀数较传统平面屋盖体系( 如平面桁架体系) 所需的榀数 少，具有构造简单，运输和施工方便的优点。该结构较适用于矩形平面。 二、折线型张弦梁结构 折线型张弦梁结构是浙江大学的杨睿硕士提出的。，将下弦索与上弦构件平行错开布置， 每根索在其两侧各通过组斜撑杆与上弦构件相连，从而构成沿纵向成折线形式的空间张弦梁 结构体系。见图1 1 - 4 所示。 三、双向张弦梁结构 双向张弦梁结构是天津大学的白正仙博士提出的盘，它是将数榀平面张弦梁结构沿横纵向 交叉布置而成，如图1 1 5 所示。双向张弦梁为空间受力体系，其撑杆对e 弦起的作用与在单 榀张弦梁结构中相同，上弦梁交叉连接，侧向约束较单向张弦梁结构得到加强，但节点处理相 对变得复杂。 双向张弦梁结构仍为自平衡体系，故可在地面安装完毕，然后整体吊装、就位。该形式可 用于矩形、圆形和椭圆形平面。 图卜1 _ 5 双向张弦梁结构 凹、多向张弦梁结构 多向张弦梁结构是嗣踊抨面张弦梁结构沿不同方向奴布置而成，见图1 - 1 - 6 ( a ) 和图 h - 6 0 ) ) ，结构呈空间传力体系，受力合理，但相比单向张弦梁结构，制作复杂，适用于多边 形平面。 多向张弦梁结构是在文献中提出的，该结构中各榀张弦梁在其梁端产生对吏承不利的 推力。 西安建筑科技大学硕士学位论文 c a ) ( b ) 图卜卜6 多向张弦粱结构 五、辐射式张弦梁结构 辐射式张弦梁结构是由中央按辐射式放置拱，拱下设置撑杆，撑杆同环向索或斜索连接， 如图l - 1 - 7 所示，辐射式张弦梁结构相当于用压力拱替换索穹项的脊索 日本的i z t l l n o 穹顶就是辐射式张弦梁结构的例实际工程，如图1 1 - 8 和1 1 - 9 所示，该 结构的直径为1 4 0 m ，矢高为4 9 m ，结构由拱，v 型撑杆，环索和斜向杆组成；斜向杆提高了 结构整体稳定性和非对称荷载下的刚度；拱采用木材。 辐射式张弦梁结构，具有力流直接，易于施工和刚度大的优点。 4 西安建筑科技大学硕士学位论文 六、张悬网壳 图卜1 _ 9i z u 穹顶的外景 若将张弦梁结构中的抗弯受压构件采用单层网壳，则形成网壳与索杂交而成的新型结构 体系，称为“s l | 印e n - d o m es y s t e m ，译为张悬网壳穹项，它是将单层网( s i n g l e - l a y e rm l s s ) 和环索( h o o pc a b l e ) 用竖向撑杆( s m u t ) 和对角斜索( r a d i a lc a b l e ) 连接而成的杂交结构( 见 图i - i 1 0 ) 。 张弦梁结构的整体刚度贡献来自上弦抗弯构件及上弦与拉索构成的h 何整体两个方面，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： ( 1 ) 承载能力高 张s 玄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，在梁跨度中设撑杼，撑杆下端与梁的两端均与索连接，如图i - i 1 1 ( a ) 所示；在均布 荷载作用下，单纯梁内弯矩见图i - l 一1 l ：在索内施加预应力后，通过支座和撑杆，索力 将在梁内引起负弯矩，见图i - 1 1 1 ( c ) ；当预应力使琴的跨中弯矩达到1 8 q 1 2 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 ，如图1 1 1 1 纳。 西安建筑科技大学硕士学位论文 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的变 化，使各个截面受力趋于均匀。而且由于两0 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。 ( 2 ) 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剐性构件的刚度，在同样的外荷载作用 下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小的多。 ( 3 ) 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 力可以平衡侧向力，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。 ( 4 ) 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6 。 ( 5 ) 建筑造型适应性强 c = ：= = 二= = 二= = = = ! = = = 一 。一j 一一。 ( a ) ，l 8 q 1 2 。fl j l f 删u 山。 一、t f t 一 一 ( c ) 帮”1 一 ( d ) 图卜卜1 1 梁的内力变化 张弦梁结 勾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，结构外形如游弋的鱼。张弦梁结构的建筑 造型和结构布置能够完美结合，适用于各种功能的大跨度空间结构。 ( 6 ) 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 大盼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，提高舡质量。 1 2 张弦梁结构的发展 1 2 1 张弦梁结构在国外的发展蚴 日本大学斋瞎公男教授在8 0 午代提出张弦梁这一概念时，以为b s s 是新型结构，但他通 过团颐以往建筑结构形式发现早在十九世纪初该结构就被开发和应用在桥梁上，如1 8 5 9 年建 造的r o y a 砧b e f t 桥，但张弦梁结构没有进一步开发应用于屋盖结构上。斋腾公男教授从建筑 设计和结构性能两个方面解释了从本世纪8 0 年代开始，勤硅意：和j 匣用该结构的原因：从建 筑设计角度看，对于不同的空间形式和尺寸，张弦梁结构的梁和弦有很大的选择余地；从结构 6 。豫鼢 丽 西安建筑科技大学硕士学位论文 角度看，通过在弦上施加预应力，可以有效的改善结构的受力性能和刚度。 8 0 年代b s s 概念提出后，该结构形式在日本应用于不少实际工程。k e i og jz 、，i 曲】设计的 一个幼儿园健身房，如图1 2 1 所示，平面尺寸2 6 m 3 6 m ，是将b s s 平行布置，拱的矢高为 1 6 0 c m ，弦下垂4 0 c m ，即屋盖高跨比为0 0 7 7 ，地震力由两边侧重墙来抵抗。m s a i t o l l 教授设 计的f 习本大学体育馆( 见图l 之一2 ) ，平面尺寸为5 8 m 8 5 m ，是由微斜人字形b s s 以5 m 为间 隔，平行布置而成。屋盖自重为1 8 k n m 2 ，对每一榀的索施加6 4 0 k n 的预应力后，采用连续 滑移法进行施工( c o n s e c u t i v es l i d i n gc o n s t r u c t i o n ) 。 卜2 1k e i og i z y u k u 的幼儿园健身房 1 - 2 - 2 日本大学的体育馆 圈卜2 3 贝尔格莱德额体育馆 张弦粱结构与轻型屋面材料，尤其是膜材料的结合应用，可以使屋面结构的自重大幅度降 低，用钢量也随之降低，综合经济指标得到提高。日本五洋建设技术研究所的多功能试验楼便 是张弦梁膜结构的成功应用。其平面尺寸为2 2 4 m 3 5 m ，将三榀张弦梁结构以8 7 5 m 的间距 平行布置，用钢量约为l o k g m 2 膜材直接铺设在张弦粱之间不进行连接处理，使构造变得简 单。从建筑角度看，膜结构的透光性适于营造温馨舒适的室内氛围，同时显得美观大方。见图 1 2 _ 4 。 空间受力的张弦梁结构也得到较多的应用。1 9 9 4 年南斯拉夫建造的贝尔格莱德新体育馆 7 西安建筑科技大学硕士学位论文 采用的即是双向张弦梁结构形式，不过在该工程中上弦梁采用的是钢筋混凝土梁，3 榀沿体育 馆的纵向，4 榀沿体育馆的横向，下弦为8 束预应力筋，在纵横向梁的1 2 个交叉点处置金字 塔形的撑杆，撑杆由4 根3 5 c m x3 5 c m 的钢筋混凝土柱构成，见图l _ 2 3 。 f j 本的m a e b a s h i 绿色穹顶( g r e e n d o m e m a e b a s h i ) 是多功能大厅，具有2 万座观众席， 屋面呈1 6 7 m 1 2 2 m 的椭圆形。由3 4 个张弦梁辐射状布置而成，张弦梁中的上弦梁构件采用 桁架( 桁架的上下弦均采用h 型钢) ，梁高度为2 1 m ，下弦为铜缆，用钢量为1 3 5 k g m 2 ，自 重为2 4 k n m 2 。低缓的屋面形式与周围环境和谐统一。见图l - 2 5 和图l 一2 6 。 图卜2 4 至洋建设内景图 图卜2 5 m a e b a s h i 绿色穹顶结构形式 幽卜2 6 j 4 a e b a s h i 绿色穹顶内最 1 2 2 张弦梁结构在国内的发展 张弦梁结构在日_ 本8 0 年代已有工程实践，由于这阶段，以采用重屋面覆盖材料为特点， 并且般都平行布置，结构成平面受力体系，所以用钢指标高，不适合我国的国情，这或许就 是该结构在不计较用钢量的日本能够推广应用，t 日在我国却无人问津的原因之一。到了九十年 代，彩色压型钢橼戈彩1 块懒的广泛应用，屋面自重姗降抵僦导张弓墚结构进 西安建筑科技大学硕士学位论文 入国内，根据张弦梁结构的这种思想，同济大学胡学仁教授等开发了种由梁与弦组成的梁弦 式预应力钢结构。，在1 9 9 2 1 9 9 3 年在江苏无锡及扬州等地，建造了三座梁弦式预应力轻钢结 构厂房。其中无锡菊花电崮厂工程预应力钢架结构如下图所示。这是我国对张弦梁结构研究的 起步。 产、l 、丑下n 毕叶丑丁q l 6 ：壶 i 1 2 基 i 。盎 l 2 预应力刚架结构 到了1 9 9 8 年，自从上海浦东国际机场候机楼首次采用大跨度张弦梁结构，填补了国内空 白之后，这种新型结构备受众多业内人士的瞩目，在多项大型建筑的方案设计中，不约而同地 选择了张弦梁结构作为基本的结构型式，并且在形式上也有了新的发展。 最有代表性的工程有浦东国际机场航站楼屋盖8 ，其张弦梁结构是法国安特鲁的方案，但 华东建筑设计院作了很大的改进。整个机场航站楼的建筑外形是组轻灵的弧形钢结构支承在 稳重的钢筋混凝土基座上，造型犹如振翅欲飞的鲲鹏，昂立于万顷碧波的东海之滨，倾斜的玻 璃幕墙赋予建筑以动感，流畅俊逸的轮廓线条之中透出勃发雄浑的气势。外貌见图1 - 2 7 。航 站楼由航站主楼( 4 0 2 r e x1 2 8 m ) 和登机廊( 1 3 7 4 m 3 7 m ) 组成，二者之间以两条宽5 4 m 的 廊道相连a 主楼包括进厅( r 1 ) 、办票厅( r 2 ) 、商场( r 3 ) 和登机廊( r 4 ) 四个大空间，其 支点的水平投影跨度分别为4 9 3 m 、8 2 6 m 、4 4 4 m 和5 4 3 m ，纵向总长度r 1 、r 2 、r 3 为4 0 2 m ， 9 西安建筑科技大学硕士学位论文 一j 9 j o o b 一8 图1 2 8进厅钢结构平面幽 幽卜2 9 办票，钢结构平面图 r 4 为1 3 7 4 m 。其进厅、办票厅、登机廊的平、剖、立面图分别见图1 - 2 - 8 i - 2 - 1 0 。 张弦梁的上、下弦均为圆弧形，其上弦由三根平行方管组成，中间主弦为4 0 0 x 6 0 0 焊接 方管，两侧副弦为3 0 0 3 0 0 方管，由两个冷弯槽钢焊成，主副弦之间由短管相连。腹杆为圆 钢管( 见图1 - 1 - 1 1 ) 。上弦与腹杆均采用q 3 4 5 国产低合金钢，下弦为国产高强冷拔镀锌丝束， 外包高密度聚乙烯，两端通过特殊的热铸锚组件与上弦连接( 见图l - 2 1 2 ) 。副杆上端以销轴 与上弦连接，下端通过索球与钢索连接( 见图1 - 2 1 3 ) 。张弦梁纵向间距为9 m ，通过纵向桁架 将荷载传给f 目谢的钢柱或直接支承在混凝土剪力墙上。钢柱为双啦皈工字柱，按1 8 m 轴线间 距成对称布置，且与张弦梁不在同平面内，形成种特殊的韵律。纵向桁架为空间桁架，宽 1 7 0 0 m ，高1 3 ( k k n ，上下弦及腹杆均为焊接方钢管。 该工程在如此大跨度的平面屋架中，下弦在平面夕 完全不设支撑。为保持结构的稳定和增 加抗侧刚度，屋盖体系由檩条、斜撑连接各榀屋架e 弦组合而成。屋盖侧边为有空间梁系组 l n - - 3 7 0 0 0 - - - - - i i b 图1 一卜1 0 登机廊钢结构平面图 图卜2 - 1 1 张弦梁剖面 图1 2 _ 1 2 下弦锚具 成的托架，屋架支撑于托架上，礁由将支撑。其中，雌中采用空间预应力斜长 索连接屋架上弦于地面，从而增加屋盖体系的整体冈蝎f 和稳定性( 见图1 - 2 - l o 聃和图1 - 2 1 4 ) 。 另一个有彳弋表性的i 程是广州国际会议展览中心的匿盖结舻，采用了张弓玄立体桁架结 西安建筑科技大学硕士学位论文 图卜2 _ 1 3 索球 图卜2 1 4 群索e 下端锚具 构，跨度为1 2 6 5 m ，间距为1 5 m ，其整体外貌及结构简图如图1 - 2 1 5 和1 - 2 - 1 6f i ) ：示。与浦东 i 虱际机场航站楼张弦梁结构稍有不同之处在于，它的上弦不是采用梁( 拱) 等直接能抗弯受压 的构件，而是由一系列轴向受力杆件组成的立体桁架，这样结构的计算分析和构造可以得到一 定程度的简化。 西安建筑科技大学硕士学位论文 j盥塑二 f 3 0 0 0 h 。v ：8i 瑚i 6 a a 圈1 - 2 _ 1 6 广州会展中心张拉立体桁架结构 1 2 3 张弦梁结构的发展前景 随着现代建筑美学的发展和使用功能的要求，结构跨度越来越大。对于大跨度或较大跨度 的结构大多采用钢结构，当然也有“膜”完成的，但充气膜由于一些缺点近年来很少用，张力 膜也需要钢索和钢结构的支撑。 鉴于张弦梁结构具有以上优点，在大跨空间钢结构方面具有良好的应用价值和广阔的发展 前景。 1 3 张弦梁结构的研究现状 张s 揪构的研究是空间结构领域的个前沿课题，在国外可以公开查阅的文献很少，国 内目前这方面的研究工作刚刚起步。总结国内外对该结构的研究状况，主要涉及到以下几个方 面的内容： 1 将单榀张弦梁结构简化为一次超静定结构，并在此基础e 得出了解析解。 2 由虚功原理推出非线性问题的般平衡方程，推导了粱元、杆元、索元相混合的考虑 几何非线性的有限元公式，并编写了相应的计算程序。i i 3 对单榀张弦梁结构的静力性能进行了分析，并讨论了高跨比、垂夸比、下弦索曲线形 式、捌千数目、截面 雕睫、上弦面积和下弦索预力锈燃构受力性能的影响。q ， 4 - 用几何非线性有限元分析了单向张弦梁结构的受力性能，讨论了支座条件、纵向连接 构件的预应力和截面对整体结构性能的影响。q ， 5 通过计算比较了双向张弦梁结构和相应的单向张弦梁结构的受力性能，讨论了双向张 i 玄粱绔陶的拱截丽形式和索预应力对其的影响，并对双向张弦粱结构做了模型试验研 究。 6 采用逆迭代法研究了张弦梁结构的形状确定问题。o ， 7 张弦梁结构的自振特性和地震响应分析。 由此可见，在分析方法上，以有限元理论为基础，上弦粱采用空间梁单元，腹杆采用空问 杆单元，下弦采用索单元来描述。早期的研究只以线性方法分析，但毕竟不够精确。后来一般 都采用几何非线性有限元的分析模式，根据该结构的特点，将问题归于大位移小应变的范畴。 同时，目前对于张弦梁结构的研究主要集中在平面受力的张弦梁结构上，对于空间受力的 双向张弦梁结构的研究也才起步。分析张弦梁结构的受力特点可知，单榀张弦梁结构通过撑杆 对上弦梁( 拱) 提供了弹性支撑，从而改善了上弦梁( 拱) 的受力性能，并实现了平面内应力 自平衡，从而避免了支座水平反力大的不利影响；将数榀张弦梁结构平行布置而成的单向张弦 梁结构，除了保留单榀张弦梁结构优点的同时，也具有一些不足：例如，整体结构成平面受力 体系，相比空间受力体系传力效率低；同时，由于单榀张弦梁的平面受力状态，为保持结构外 的稳定和增加抗侧移刚度，屋盖体系必须设置大量的檩条、斜撑连接各榀屋架上弦；纵向连接 构件要在高蚴口预应力和锚固等工作，造成施工的相对复杂，而目对下步结构抗纵向水平力 有较高要求单向张弦梁结构应用于较大跨度的屋盖结构时，单向受力的性能还是有所局限。 由于跨度的增加，结构非线性性能的影响值得研究。 同时，从目前的研究情况来看，对张弦梁结构的研究设计的跨度不大( 2 0 4 响) 。而张弦 梁结构也是种适合于大跨度的空间结构型式，在国内已建或拟建的大型建筑中，上海浦东国 际机场候机楼建筑群的四个单体均采用了张弦梁结构，最大跨度者其支点水平投影跨度就达 8 2 6 m ；广州国际会展中心屋盖上弦采用了三角形立体桁架，跨度达1 2 6 5 m ；拟建的深圳会议 展览中心屋盖系统采用了两片张弦立体桁架结构，最大跨度为l l o m ；在日本，该结构已经应 用到1 5 0 m ，并且在降雪量大的地区也得以应用。 所以从当肓涨粥黼的丰土会需要厕殳屑括看，对j 鞴：越! 巨大空间的能力提出了更新的要 求，因而必须在普通张弦梁结构的基础上进行仓u 新，寻求能够满足大跨度要求的张弦梁结构新 形式，姬梁采片j 格构形式或直接采用空间张j 玄桁架，在结构体系的受力状态e 使其由平面受力 向空间受力过渡等。逸黼给张弦梁结构的分析、谢十和施工骺随多的问题。 1 4 论文研究的目的和意义 我国在二十世纪末期已研制、开发、采用各种形式的预应力空间钢结构约8 0 多幢，充分 显示出这类结构的受力合理、刚度大、重量轻等优点，具有强大的生命力，是结构发展的一种 趋势。1 9 9 9 建成的浦东国际机场候机楼屋盖结构采用的是并列型张弦梁结构，也是属于种 新型的预应力轻钢结构，髟蛾8 4 m 。整个建筑别致亳至盈，结构合理，冠枞结构型式上 还是从艺术造型上以及两者的完美统上都充分体现了张弦梁结构的发届斡静力。但由于我国在 预应力轻钢结构的研舡作起步较晚，技术封锁和缺乏资料等原因，我国的研究水平和世界上 的础平是有很大的差距的。例如上海浦东机场以及深圳机场、长春体育馆以及其它大型工 程，设i 十方案( 包括建筑和结构) 清一色的由国外中标眦川。这与我国产钢大国的地位很不 相称，也与中央号召建立我们自己的科技创新体系相距甚远。 1 d 西安建筑科技大学硕士学住论文 上海浦东国际机场的建成，为我国学者进一步研究张弦梁结构提供了契机，当时有相当的 一部分试验是围绕浦东机场展开的，例如上海浦东国际机场候机楼r 2 钢屋架足尺试验研究“o 、 上海浦东国际机场r 2 钢屋盖模型模拟三向地震震动台试验研究“9 等，还有以广州国际会议 展览中心的结构为模型对张弦梁结构的上弦杆和撑杆的稳定问题进行了数值分析，得到张弦 梁结构的数值分析模型等有一些有价值的东西，但是关于此结构静力分析理论并没有建立。另 外以上所做的研字注要集中在张弦梁结构形成后的参数分析或仅仅是针对某实际结构某部分 进行的分析，例如结构稳定性的研究也仅限于具体结构的某方面的稳定分析，而针对张弦梁结 构特点的稳定分析理论和数值分析方法尚未建立。 1 5 论文的主要内容 在导师的指导下，通过查阅大量的空间结构领域有关文献，作者选择了空间结构领域最前 沿的课题之新型屋盖结构形式，即张弦梁结构的分析研究，针对已有的研究中尚未涉及的 内容，进行了较详细的分析，提出了比殴系统的理论。具体工作内容如下： 1 总结张弦梁结构的分类和特点，回顾并阐述张弦梁结构国内外的发展过程以及研究此 结构的意义。 2 张弦空间桁架的静力分析 张弦空间桁架是由平面张弦梁结构中的张拉拱发展出来的种新型的张弦粱结构， 是利用倒三角形断面的空间桁架代替张拉拱的实腹式上蒯钟 形成的，其受力性自锨一j i 殳 张弦粱缔陶有一定不同。a k 删_ a n s y s 程序对张弦空间桁架进行静力计算，总结出张 弦空间桁架的各项力学性能，并讨论了撑杆数量、垂跨比和下弦索预应力等参数对结构受 力性能的影响，为实际的工程设计提供依据。 3 张弦梁结构预应力大小的确定及张拉施工方案的选择 本文提出预应力使结构的预起拱值与外荷载使结构的产生的挠度值相抵消的原则，来 确定张弦粱结构箍工时的预应力值：并目通过比较一次张拉和二次张拉方案的各项指标 ( 结构起拱量、预应力大小、张拉设备及难易程度) ，提出相应的预应力张拉施工方案。 4 张弦梁结构稳定性的分析 本文对张弦粱结构的整体和局部进行了平面内和平面外的稳定性分析。并且对张弦梁 结构的整体稳定分析进行公式的推导，在平面内稳定性分析时，采用初参数法求解结构 失稳时的临界荷载和相应的屈曲形式：平面外稳定分析时，采用拱平面外失稳时临界荷载 的计算方法，并通过实例验证这种计算方法的有效性。 西安建筑科技大学硕士论文 张弦空间桁架的静力性能 2 1 张弦空间桁架结构体系概述 张弦空间桁架是由传统张弦梁结构发展出来的种新型张弦梁结构，是将传统张弦梁结构 的上弦实腹梁以断面为倒三角形的空间桁架梁来代替形成的，在实际的工程中，可以将张弦空 间桁架进行组合，如广州会展中心张弦空间桁架结构单元是由6 榀张弦空间桁架( 间距1 5 m ) 异j 檩条和侧向支撑连接而成的，见图( 2 1 一1 ) ，展览大厅有5 个这样的单元。其中张弦空间桁 架的一般形式见图2 - 1 - 2 。 图2 - 卜1 广州会展中心展览大厅个单元 ：了寻竖自堆r ij 图2 1 - 2 广州会展中心张弦空间桁架 1 6 西安建筑科技大学硕士论文 张弦空i 司桁架既继承了传统张弦梁结构的结构思想和建筑美学特点，又充分发挥了拱形桁 架的受力优势和索材的高强抗拉性能，使结构形成一个自平衡体系。这种新型张弦梁结构的上 弦为稳定性能较好的倒三角形断面空间桁架，比采用实腹构件的传统张弦梁结构，无论平面内 或平面外稳定性刚度都大幅度提高，因此具有更大的跨越能力。 由于此类结构上弦为空间桁架，由较多的杆件组成，旋工工艺较传统张弦梁结构复杂。并 且这类结构跨度般比较大，预应力的施加及吊装工艺相对难度较大。 张弦空间桁架由上弦桁架梁、竖向撑杆和下弦索组成。当结构在外荷载作用下，拱形的上 弦珩架梁是直接承担荷载的受力构件，桁架梁的每杆件都是轴心受力的二力杆；下弦索内施 加预j 立力，是使张弦空间桁架形成一自平衡体系的关键，承受较大的轴拉力；上弦桁架梁和下 玄索由竖向撑杆连接，使张弦空间桁架形成整体结构。作为整体结构张弦空间桁架可看作一 类特殊的“桁架”，张弦空间桁架的上弦桁架梁、竖向撑杆和下弦索分别可看做该“桁架，的 上弦、腹杆和下弦。外荷载作用下，张弦空间桁架的每个杆件( 桁架杆件、竖向撑杆和下弦索) 都为轴心受力杆件，材料可以得到最充分的利用。在实际的工程设计中，按其所受轴力大小选 择截面。 本章对张弦空间桁架的静力性能进行分析。 2 2 张弦空间桁架的静力性能 本节通过a n s y s 程序对张弦空间桁架的静力性能进行计算分析和比较，概括出张弦空间 桁架的静力性能。 结构计算模型采用广州会展中心展览大厅张弦空间桁架，结构型式见图2 - 2 - 2 。上弦梁使 用倒三角形断面的钢管桁架，管径分另0 为2 由4 5 7 x ( 1 0 、1 4 m m ) 和$ 4 8 0 x ( 1 2 、1 4 、1 9 哪) 。 空间钢管桁架梁上弦3 m 等宽，端部矢高2 l l l ，跨中矢高3 m ，腹杆采用由1 6 8 x ( 6 、9 i i e n ) 和中 2 3 7 嘶n 钢管。竖向撑杆为由3 2 5 8 的钢管。桁架梁各杆和竖向撑杆均采用国产q 3 4 5 b 低合 金钢，下目玄采用由3 7 7 4 7 钢丝舡而成的单根拉索，直径巾1 6 5 ，材料为国产高强冷拔镀锌钢 丝，强度1 5 7 0 m p a ，极限承载力为2 0 0 0 t 。张弦空间桁架通过铸钢节点简支在钢筋混凝土柱上， 结构跨度1 2 6 6 m ，南北高差3 2 m ，见图2 - 1 - 2 。 2 2 2 加载方式 根据实际工程中预应力和外荷载在不同的阶段舂匮加的具体情况，张弦空间桁架的静力分析 按初始态和荷载态分别进行。初始态为结构在自重和预应力作用下的自平衡体系；荷载态为结 构在初始态的基础上承受荷载的状态。结构承受的夕阵撇蜥载和活载，其中活载，例如风 载、雪载等并不一定都是满跨布置的，因此结构荷载态的静力分析分为两种情况，其一为沿负 西安建筑科技大学硕士论文 y 轴全跨均布荷载( 恒载+ 活载) ，其二为沿y 轴半跨均布荷载( 全跨恒载+ 左半跨活载) ，见 图2 - 2 1 。 预应力的施加不仅仅使结构形成一自平衡体系，减小结构支座处的水平推力，它仍然对结 构受力特性有一定的影响，因此有必要对结构预应力和非预应力状态的受力性能进行比较，充 分显示预应力的施加对张弦空间桁架受力的影响。 综合以上分析，可将张弦空间桁架静力分析的加载方式分为以下几种工况， 工况一：结构初始态：自重+ 预应力 工况二：结构荷载态：预应力+ 恒载+ 活载 工况三：结构荷载态：预应力+ 恒载+ 半跨活载 工况四：恒载+ 全跨活载 工况五：恒载+ 半跨活载 薯曩日王丑王e 日王丑王丑旺王日主丑三圈 工况三磺应力+ 恒戴+ 活戴 鼗日壬丑墨王日王丑主主r n i 口i 工况四璜应力+ 恒t + i 障活簟 工况五 活载 恒载 恒t + 潘啦 幽2 - 2 - 1 葡黝晴方式 预应力的旌加在下弦索中产生的拉力为1 3 3 0 k n 。实际工程中恒载( 结构自重+ 马道+ 檩 条+ 支撑) 1 0 k n m 2 ，活载0 3 k n m 2 ，换算为节点荷载加在e 弦的各个节点上。用a n s y s 程 序进行线性分析。 分析计算时，工况二和四外荷载总值为1 3x1 2 6 6 x 1 5 = 2 4 6 8 7 k n ，换算为节点荷载加在 上弦桁架梁的上弦的5 6 个节点上，每个节点4 4 k n ：工况三和工况五，左半跨2 8 个节点每个 节点旌加4 4 k n 节点力，右半跨每个节点施加3 4 k n 节点力。 鼗 。耋耋耋丝丝鳖垒耋至耋垒耋，。，。，。，。一 2 2 3 张弦空间桁架静力性能 图2 - 2 _ 2 部分节点和单元编号 取n 爪代表性的节点和单元进行分析比较，编号见图2 七一2 。各工况下，结构支座处水平 位移和跨中竖向挠度较大；工况= 、四比工况三、五结构四分之和四分之三跨中处节点的位 移变化比较显著，所以选择的代表性节点为图2 - 2 _ 2 中的3 ，2 6 ，4 7 ，4 8 ，鹋。为了研究张弦 空间桁架在受力情况下各类型杆件的内力特性，分别选取了张弦空间桁架桁架梁的上弦杆2 8 、 下弦杆6 7 、腹杆1 5 3 、支撑杆9 4 及2 3 4 ；竖向撑杆2 4 7 和下弦索2 5 8 为代表性单元。由于结 构上弦糯谤尊融乏座处下弦杆的轴力比较大，以及工况二、四与工况三、五相比四分之三跨处上 弦汗的轴力变化较大，将单元8 0 和4 0 也作为代表单元进行分析。 五种工况下各代表性节点x 方向位移的见表2 2 _ l ；y 方向位移见表2 - 2 - 2 ；z 方向位移见 表2 _ 2 3 ；结构各代表性单元轴力比较见表2 2 - 4 ：结构桁架梁的上弦杆沿跨度从左到右各杆 件轴力见图2 - 2 - 3 ；下弦各杆轴力见图2 2 - 4 ；结构竖向撑杆的轴力见图2 2 5 。 五种工况下x 方向位移( m ) 的比较表2 _ 2 _ 1 节点号工况一工况二工况三工况四工况五 319 3 92 8 18 3 8_ 3 9 6 9_ 3 4 1 2 2 61 5 3 08 4 01 7 0 2- 1 7 7 2_ 9 1 0 4 71 3