单榀张弦梁结构各因数的影响分析.pdf

结构分析与计算 单祸张弦梁结构各因数的影响分析 白正仙李义生 北京工业大学北京 刘锡 良 天津大学天津 义的 摘要张弦梁结构是由单福张弦梁结构通过不同的布 而得 单福张狱梁结构的性能对整体结构的性能起决定性的作用 故充 分了解单福张弦梁结构的受力性能无提是十分必要的为此 详细分析撑杆数目 垂跨比 高跨比 拱的惯性拒和弦 的预应力等因 数对受力性能的影响 以供工程设计参考 美询单拐张狱梁结构因数 围 劝 氏 妞 腼吨 以 为田 仃认呵 拍玲 月压刃旧比 沁叮 眼 理粥渭记 成 犯 别叱笋 加比加沁 呵 山戈 忱恤 血 姆砂过 到目 血 肠 目 比 血 切叮比 由 一 沁 一 伏 峨 昭 比 压 目们团以川笼 记沁血俪 比 似 目 恤 此 引盲 张弦梁结构是由弦 撑杆和压弯构件 组 合而 成的新型自平衡体系 它充分利用高强索的强抗拉 性改善了整体结构受力性能 具有受力合理 制造 施工方便和运输方便等优点 具有良好的应用价值 和前景本文仅讨论压弯构件为拱的情况 张弦梁结构是 由单福张弦梁结构见图通过 不同的布置形成单向 见 图 双 向和多 向张弦梁 结构等不同形式 而其中单揭 张弦梁结构的性能对 整体结构的性能起决定性的作用 所以充分了解单 福张弦梁结构的受力性能非常重 要本文 用几何 非线性有限元方法详细讨论了撑杆数目 垂跨比 高跨比 拱的惯性矩和弦的预应力等对单棍 张弦梁 结构受力性能的影 响 下 面 的各计算模型都是以图 图的结构尺 寸和表的材 料情况 为基础 改 变相应的参数而 第一作者白正仙女 翻年月出生 博士讲师 收稿日期 一一肠 从存在内共振的桅杆结构的动力稳定性分析也 可以看出 存在多种 内共振的组合的桅杆结构 会 由于脉动风载的增大 引发纤绳 的大幅振动 又由 于杆身与纤绳之间的非线性藕合作用 导致杆身的 动力响应也不断增大引起结构的动力失稳 对于实际的桅杆结构 由于其纤绳多 且长度和 初应力都不尽相同 在 风载作用下 很有可能产生 一些内共振的组合 即使在风 载不 是很大的情况 下 都有可能引发桅杆结构的大幅振动 导致桅杆 结构的运动失稳因此在工程设计和施工过程中都 应避免出现这些内共振的组合 尤其是不要 出现主 参数共振即频率比为 参考文献 张其林 氏欧美塔桅钢结构研究现状 塔桅工作 组次会议简介 特种结构 男叹 李忠学杆系钢结构的非线性动力稳定性分析博士学位论文 上海 同济大学 望浏 泊 吐川 一一 玉 议 祀 侧 望泊 王海期 非线性振动北京高等教育出版社 卯 何艳丽桅杆结构的动力稳定性分析博士学位论文上海 同济大学 加的 李树逊桅杆结构的非线性振动分析 博士学位论文上海 同济大学 望珍 钢结构力年第期第卷总第期 白正仙 等 单福张弦梁结构各因数的影响分析 得 图 图中圈内值是单元号 无圈值是节 点 号 散为个相等的直梁元 其上均布荷载等效转化为 节点荷载节点边界条件是一边界为铰 支座 另一边界为滑动支座计算结果最大内力反 应见 图 复 七 畏 畏 创 卿 之 之 刀每 玺笋一一一广一 计 不过通 一止一止 弓藻 图单福张弦梁结构的尺寸 一 一 一 尸 且 一 内力 图全跨均布荷载下内力反应 一 拱的最大剪力 公 一 拱的最大轴力 一 弦的最大应力 入 一 拱的最大正应力 一 拱的最大弯矩弧 图单向张弦梁结构计算模型 表材料情况 断面拱 梁 必 一 护 火 护 护 护 撑杆 必 一 张拉弦 均 刀 月 习 月 咧 护 一 护 护 护护 注为面积儿 寿 为截面的惯性距为截面的抵抗距为 弹性模量 受力性能分析门 撑杆数目的影响 取四个模型 一 其撑杆 数目分 别取为众 和巧 比较四种模型的受力性能 以了解撑杆数 目对张弦梁结构性能的影响 四种模型中 弦的预力均取分全跨均匀 分布和半跨均 匀分布两种荷载工况通过计算发 现 在没有初始尺寸误差情况下 张弦梁结构整体 失稳前 若假定通过构造措 施保证不发生 局部失 稳 则拱或弦先达到 极限强度 故理 想张弦梁结构 属于强度破坏为比较模型的受力性能 分个相 等的荷载增量步 将荷载施加到 相 当于 以的间隔平行布置各福张弦梁结构 整体结 构承受大小为的均布荷载的情况将拱离 计算结果 的分析 从图可很直观地看到模型除剪力外 其 它内力相比另外三个模型都大 又 由于对拱来讲 剪力基本较小 其不成 为控制条件 所以无撑杆的 模型相比其它三个模型受力不合理 也就是说加 撑杆 相 当于对拱提供弹性支撑 改善了拱的受 力 性能 明显地减小了拱的最大弯矩 从模型 一模型的反应可看出 只有一 个撑杆的模型相比其它两个模型内力反应稍大 但模型与模型的反应基本相同 这说明撑杆超 过个后 受力的改善不再明显 而用钢量随跨度的 增大 几乎呈线性增大 所以撑杆数不宜超过个 垂跨比 的影响 通过分析五种不 同垂跨比的张 弦梁结构垂跨 比分别取 和的性能 来 探讨垂跨比的影响 以后若未特别声明 除讨论因 数此为垂度比变化外 其它尺寸 材 料情况 边界 条件 荷载情况及单元划分情况等同节 均采用 三个撑杆的张 弦梁结构模型 计算结果轴最大 位移反应即挠度反应见图 最大 内力反应见图 和图 计算结果分析 先分析位移反应随垂跨比的增大 位移减 小 垂跨比大于后 变形幅 度变得稍微缓慢 么刃 氏 结构分析与计算 在垂跨比约为时 两种荷载工况位移反应效果 发生转变 即垂跨比小于时 全跨荷载下 的变形 大于半跨荷载下的变形 而垂跨比大于后 全跨 荷载下的变形小于半跨荷载下 的变形 分析 内力反应图 在全跨荷载作用下 随 垂跨比的增 加 除剪力外 其它内力均 减小 拱的 最大轴力和弦的最大应力 随垂跨比的增加 几乎 呈线性减小 拱的最大正应力和最大弯矩 在垂跨 比小于时的减小 幅 度大于垂跨比大于 时的减小幅度 分析内力反应图在半跨荷载作用下 随 垂跨比的增加 除剪力外 其它内力也均减小 拱的 最大轴力和弦的最大应力 随垂跨比的增加 也几 乎呈线性减小但拱的最大正应力和最大弯矩的减 小 幅度很小 分析用钢量情况 由于拱的用钢量占总用钢 量的比例大 所以随垂跨比增加 弦和撑杆用钢量 的提高对总用钢量的影响不 明显 一 由以上分析可知 对于全跨荷载均布和半跨 荷载均布两 种荷载工 况 都是 随垂跨比的增大 除 剪力增大外 其它 内力减小 位移也减小而剪 力 是较小 的 其不成 为控制条件 所以通过增大垂跨 比 来改善张弦梁结构的受力性能从结构受力 角度 是有益的 高跨比的影响 将通过分析五种不同高跨比的张弦梁结构的受 力性 能 高跨比分 别 取 为 和 来探讨高跨比的影响计算结果位移反应见图 最大 内力反应见 图 姗助叨 日日 侧喊协妇嘱界 印呼 一 一一 一 一 一尸 的位肠璐 垂跨比 图垂跨比与挠度的关系 一 全跨荷载 一 半跨荷载 咤 戈 佗 复 通 召 占 到 臼 之 玄 似以伪 垂跨比 图全跨均布荷载作用时垂跨比与内力关系 一轴力肠几 一剪力 一一弯矩 卯刀创 一 一拉应力 刀城几 一一弦应力 刀硒 姗溯咖 日日 侧以静举长嘱界 一 戈 性 畏署 口 勺 之 蔺 加位以肠佣 垂跨比 图半跨均布荷载时垂跨比与内力关系 一轴力兔 一一剪力 头 一一弯矩 材 蔽 一 一拉应力 一卜弦应力 伍 硒几 高跨比 加 图高跨比与位移反应关系 刁一全跨荷载 一半跨荷载 钢结构 创刃 年第期第卷总第期 白正仙 等 单福张弦梁结构各因数的影响分析 计算结果的位移反应见表 最大 内力反应见 表 表 表全跨均布荷载拱和弦的内力反应 轴力剪力弯矩 正应力弦的应力 撇一 明朋 泌一 印 一灰铆姗 瀚 高跨比 全跨均布荷载时高跨比与内力反应关系 模型 模型 模型 模型 厂 卜 仪 闷旧卜 日 润 飞 山 仁 戈薯 渭 畏 占 迎口 之 之 一一轴力 一一剪力 刊 一一 弯矩 欢 一 一拱应力伍 刀硒 一仁弦应力 犯 计算结果分析 随高跨比的增大 变形减小高跨比大约在 时 两种荷载工况下的位移反应发生变化 小 于时 全跨荷载下的变形大 大于时 半 跨荷载下的变形大 随高跨比的增大 内力 有 效地减 小 可是用 钢量也相应增大 但增大幅度不大 由此可见 如果只从承受竖 向荷载的反应 看 高跨比增大 内力反应减小 而用钢量增大不显 著 即受力合理可是 随高跨比增大 不利的平面 外 荷载风载 也增大 无用 的室 内空间也增大 所 以高跨比不宜过高 拱的惯性矩的影响 表所示 的四个模型 讨论拱的惯性矩对张 弦 梁结构的影 响 表模型分类情况 类型模型模型模型模型 拱的尺寸户 一之 办 卯一必 一 砂 一 面积 惯性矩钾刀护 一 护护 表半跨均布荷载拱和弦的内力反应 轴力剪力弯矩 正应力弦的应力 撇一 姗哟 工伟 了 八曰 工哎 模型 模型 模型 模型 裹变形情况 类型 对比项目 类型 模型模型 支座位移 最大挠度 挠跨比 支座位移功 最大挠度 挠跨比 以 刃 模型模型 计算结果分析 随惯性矩 的增大 全跨荷载下的位移变化不 大 但半跨荷载下的变形显著减小 由于全跨荷 载 下 的变形小于半跨荷 载下 的变形 所以增 大惯性 矩 则有效的减小结构的变形 随惯性矩的增大 虽然全跨荷载下的拱的正 应力增大 但不利的全跨荷载下 的弦的应力及半跨 荷载下的拱的正应力均减 小 所以增大惯性矩 能 提高受力性能 由以上分析可得 增大拱的惯性矩 能增强 张弦梁结构的刚度 提高其受力性能 弦的应 力的影响 分四种模型 如表所示 分析讨论弦 的应力 对张弦梁结构的受力性能的影响 计算结果挠度情况见图 内力反应见图 表考虑弦的应力的影晌的分类情况 分类模型模型模型模型 面积 如 义片 如如 预应力加 预应力了入 犯 计算结果分析 随预应力的增大 两种工况下的变形几乎是 线性减小 随预应力的增大 两种工况下的拱的最大弯 矩和正应力呈线性减 小 但减小幅度 不大 而拱的 工况一工况二 田 卜 结构分析与计算 日日 翅以协划长嘱葬 预应力 图弦的预应力与最大挠度关系 二一全跨荷载 一一半跨荷载 一 之之之 璐供兜 戈 愁通 簇 协 迎勺 之 奢 加 预应力 图全跨均布荷载时弦的预应力与内力的关系 一轴力邓兔 一剪力 仪玫 一一 弯矩 砚 一 拱应力份 二 一卜弦应力 伍 入 其它内力和弦的应力均增大 但增大幅度很小 由以上分析可知 预应力的增 大 有效的减 小变形和拱的正应力 增大弦的应力 以充分利用 高强索的强度 过个后 受力性能改善效果不再明显 所以撑杆数 目以个为益 随着垂跨比或高跨比的增大 变形减小 但 半跨荷载下的变形幅度小于 全跨荷载下 的变形幅 度 使半跨荷载下 的变形趋向于大于全跨荷载下的 变形 即不利荷载 由全跨荷载转为半跨荷载 随拱的惯性矩的增大 全跨荷载下的变形几 乎没有 变化 但半跨荷载下 的变形显著减小 并且 全跨荷载下 的最大正应力和半跨荷载下的拱的正应 力也减小 所以通过增大拱的惯性矩 来提高半跨 荷载下的刚度及结构受力性能是有益的 随拱的面积的增大 除拱的正应力有所减小 外 其它内力及变 形几乎没有 变化 所以提高拱的 面积 对受力性能的改善是不明显的 随弦的预应力的增大 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 随弦的面积的增大 变形和弦的应力显著减 小 拱的正应力也趋 向于减小 但 幅度不大 所以单 纯增大弦的面积 虽 能提高 刚度 但弦的材料强度 不能充分利用 张弦梁结构尺寸应在建筑允许的条件下 采 用尽可能大的垂跨比高跨比的取值要考虑平面外 风载的作用大小选择适当的拱的 尺寸和弦的 面 积 使拱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 拱采用工字型截面相比拱采用钢管截面 从 力学角度看 更经济合理 结论 通过对张弦梁结构各因数对受力性能和刚度的 影响分析 可得 出以下结论 通过撑杆连接拱和弦的张 弦梁结构 受力 合理但对于跨度为左右的结构 撑杆数超 参考文献 腼 二 明 一 址 日 飞 七 留址 笼 加 伪 介 了 沙 户江 切 心谧 记 瑙 沁 卯印沁 刘锡良 白正仙 张弦梁结构受力性能的分析 钥结构 州州 伯息 国际通讯业对相市的影响趋强 据悉 随着通讯业的快速发展将导致全球钢铁市场周期速度加快以及价格波动增强 国际俐铁市场价格么 汉 年第一季度之后有望回升 创义 幻年世界俐消费 将比 望珍年增长 达亿 胡 年将进一步增长 达男亿加年 可持续增至 亿其中 欧盟 创