大跨度短撐桿式張弦桁架結構形式的研究*

黃建華 張華剛

近十年來,我國大跨度空間結構發(fā)展迅速,陸續(xù)修建了一批具有代表性和影響性的工程,其中張弦結構得到了廣泛應用。最早由日本學者M.Sartoh教授于20世紀80年代首次提出,將張弦梁結構定義為“用撐桿連接抗彎受壓構件和抗拉構件而形成的自平衡體系[1]。我國最早于1999年成功將張弦梁結構應用于上海浦東國際機場航站樓工程(最大跨度為82.6 m)[2]。十年來的研究和發(fā)展,上弦形式從梁發(fā)展到拱,桁架,立體桁架;從單層發(fā)展到雙層;從單向發(fā)展到多向,以至空間結構。其中張弦桁架以綜合效益的優(yōu)異性,工程實踐的時效性等優(yōu)點得到大量的應用。

1 短撐桿式張弦桁架結構

短撐桿式張弦桁架[3]是用短撐桿連接上弦梭式桁架與下弦拉索形成的自平衡結構。2004年首次由貴州大學空間結構研究中心馬克儉院士提出,新型張弦桁架成功應用于成都新國際會展中心屋蓋工程(最大跨度為90m)[5],可認為它是短撐桿式張弦桁架的撐桿長度為0的特例。工程實踐表明,該結構具有良好的經(jīng)濟技術指標。短撐桿式張弦桁架是對傳統(tǒng)張弦桁架的創(chuàng)新,與傳統(tǒng)的張弦桁架相比優(yōu)點有如下幾個方面:1)利用傳統(tǒng)的梭形平面桁架或立體桁架施加體外預應力,將張弦梁的彎曲內(nèi)力轉化為軸力,且預應力對結構產(chǎn)生的軸力與荷載產(chǎn)生的軸力可以疊加,結構呈減小趨勢,從而使結構的用鋼量下降。2)短撐桿與鋼索通過旋轉軸承連接,構造簡單,且?guī)缀醪灰痤A應力損失。3)結構抗剪剛度由梭形桁架提供,本身抗剪剛度就優(yōu)于張弦梁結構。4)撐桿的長度較短,一般在0.3 m～2 m之間,遠小于張弦梁結構6 m～12 m的撐桿長度。5)預應力張拉不引起結構跨度改變,可以確保建筑造型,既可地面張拉,也可以高空張拉,施工簡單易行。6)上弦梭形桁架本身的剛度就可以抵抗風吸力的影響,無需配置或設置抗風拉索。

2 短撐桿式張弦桁架結構形式的分類

短撐桿式張弦桁架既可作成平面管桁架結構形式,也可作成空間管桁架形式,這兩種形式主要分兩大類:1)豎直撐桿式新型張弦桁架見圖1;2)V形撐桿式新型張弦桁架見圖2。上述兩種形式的梭形桁架的上弦和下弦可以為:拋物線、圓弧線、折線、水平直線等形式。預應力索為拋物線、折線。豎向撐桿上端與桁架下弦剛接,下端與索不完全鉸接,即索可沿其切線方向自由滑動。

3 撐桿布置形式對結構性能的影響

3.1 計算模型

豎直撐桿式張弦桁架和V形撐桿式張弦桁架如圖3,圖4所示,兩種結構除撐桿形式不同,其他的參數(shù)都相同。支座跨度都為120m,立體桁架上弦寬度4m。跨中立體桁架矢高為5m,桁架下弦垂度為3m,拉索垂度為5m,桁架上弦網(wǎng)格數(shù)為20個。左端為固定鉸支座、右端為滑動鉸支座。上弦桁架截面為倒三角形。撐桿各為8個豎直式和8個V形式以桁架中點對稱等距布置。

管桁架采用Q235鋼,拉索采用1670級高強鋼絲索,規(guī)格為PES C5-409,外包雙層PE。兩種桁架跨中截面如圖5所示。

3.2 撐桿布置形式對桁架結構力學性能的影響

采用有限元分析方法,利用ANSYS10.0分析,對上述兩種結構形式進行力學性能比較分析。計算模型中短撐桿式張弦桁架上弦桿、下弦桿、腹桿、撐桿、橫桿和斜桿都采用 Link8單元,預應力拉索采用Link10單元。計算中主要考慮三種荷載的作用:1)預應力:采用初始應變加載的方式模擬,初始應變?yōu)?.002;2)桁架結構自重:ANSYS10.0軟件程序自動計算;3)屋面荷載:恒載為0.5 kN/m2,活荷載為0.5 kN/m2,上弦以桁架間距15 m范圍內(nèi)荷載計算。共計算兩種工況:工況一:預應力+自重+屋面全跨荷載;工況二:預應力+自重+屋面半跨荷載。

通過ANSYS10.0軟件計算,可以從圖6,圖7看出在兩種工況作用下,兩種桁架的豎向位移都滿足GB 50017-2003鋼結構設計規(guī)范最大撓度與其跨度之比小于1/250的要求。從表1可以看出:兩種工況作用下,V形撐桿式張弦桁架的豎向位移略大于豎直撐桿式張弦桁架的豎向位移,以及工況一作用下,V形撐桿式張弦桁架的滑動支座位移略大于豎直撐桿式張弦桁架的滑動支座位移。工況二作用下,滑動支座位移略小于豎直撐桿式張弦桁架的滑動支座位移。

結構跨中桿件軸力如表2所示,兩種工況作用下,側桿軸力不變,除V形撐桿式張弦桁架的上弦桿軸力和撐桿軸力略小于豎直撐桿式張弦桁架的上弦桿軸力和撐桿軸力,其他的V形撐桿式張弦桁架桿件軸力都比相對應的工況作用下的豎直撐桿式張弦桁架的軸力增加幅度不大。V形撐桿式張弦桁架索軸力增加的主要原因是結構的豎向位移增加引起了索的垂度增加,使索的預應力增加。綜合得:兩種結構的豎向位移、滑動支座的水平位移和桿件軸力變化不太大,V形撐桿式張弦桁架的撐桿節(jié)點施工難度較大。豎直撐桿式張弦桁架的結構優(yōu)于V形短撐桿式張弦桁架,但建筑造型沒有V形撐桿式張弦桁架美觀,建議使用時綜合考慮。

表1 兩種結構形式在兩種工況作用下的位移 mm

表2 兩種結構形式在兩種工況作用下的跨中桿件軸力 kN

4 結語

短撐桿式張弦桁架與傳統(tǒng)張弦桁架結構相比,具有造價低、用鋼量小、構造簡單、撐桿長度短、施工簡單和抵抗風吸力好等優(yōu)點。有豎直撐桿式和V形撐桿式,計算分析結論如下:1)豎直撐桿式張弦桁架的豎向位移和滑動支座位移小于V形短撐桿式張弦桁架。2)豎直撐桿式張弦桁架的桿件軸力小于V形短撐桿式張弦桁架。3)V形短撐桿式張弦桁架的施工難度和用鋼量略大于豎直撐桿式張弦桁架,但建筑效果比較美觀。

[1]M.Saitoh,A.okada.The Role of String in Hybrid String Structure[J].Engineering Structure,1999(21):756-769.

[2]陳以一,沈祖炎,趙憲勇,等.上海浦東國際機場候機樓R2鋼屋架足尺試驗研究[J].建筑結構學報,1999,20(2):9-17.

[3]馬克儉,張華剛.一種短撐桿式新型張弦桁架[P].實用新型專利:ZL200410155399.7.

[4]夏海霞,韓章良.鋼桁架結構計算[J].山西建筑,2009,35(5):84-85.

[5]馬克儉,張華剛,鄭 濤.新型建筑空間網(wǎng)格結構的理論與實踐[M].北京:人民交通出版社,2006:275-281.