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1、淺析大跨度張弦梁的結(jié)構(gòu)特點及其分析摘要:淺析張弦梁結(jié)構(gòu)應用、特征、結(jié)構(gòu)形成過程以及所要研究的重點與方向。關鍵詞:大跨度;張弦梁;分析1引言張弦梁結(jié)構(gòu)已應用多年并得到發(fā)展。上世紀90年代日本建造十幾座類型各異的以張弦梁為主要受力結(jié)構(gòu)的場館就是例證;1997年建成的上海浦東國際機場候機樓,是國內(nèi)首次將張弦梁結(jié)構(gòu)應用于超大跨空間結(jié)構(gòu);廣州的國際會展中心也在屋蓋體系中采用張弦梁結(jié)構(gòu)等。張弦梁結(jié)構(gòu)的研究和應用尚處于初級階段,在此就張弦梁結(jié)構(gòu)特征、成形過程和理論研究問題作一簡要介紹,并提出建議。2張弦梁的結(jié)構(gòu)特征張弦
2、梁結(jié)構(gòu)的整體剛度來自抗彎構(gòu)件截面和與拉索構(gòu)成的幾何形體,是介于剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的半剛性結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)特征:①承載能力高。張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)施加的預應力可以控制剛性構(gòu)件的彎矩大小和分布。②使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形小。張弦梁結(jié)構(gòu)中的剛性構(gòu)件與索形成整體剛度后,這一空間受力結(jié)構(gòu)的剛度就遠大于單純剛性構(gòu)件的剛度。同等荷載作用下,張弦梁結(jié)構(gòu)的變形比單純剛性構(gòu)件小得多。③自平衡功能。當剛性構(gòu)件為拱時,將在支座處產(chǎn)生很大的水平推力。索的引入可以平衡側(cè)向力,從而減少對下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的要求,并使支座受力明確,易于設計與制
3、作。④結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強。張弦梁結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時,由于引進了具有抗壓和抗彎能力的剛性構(gòu)件而使體系的剛度和形狀穩(wěn)定性大為增強。同時,若適當調(diào)整索、撐桿和剛性構(gòu)件的相對位置,可保證張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。⑤建筑造型適應性強。結(jié)構(gòu)中剛性構(gòu)件的外形可以根據(jù)建筑功能和美觀要求進行自由選擇,特性不會受到影響。例如浦東國際機場屋蓋上弦是焊接鋼管組成的截面,結(jié)構(gòu)外形如振翅欲飛的鯤鵬。⑹制作、運輸、施工方便。與網(wǎng)殼、網(wǎng)架等空間結(jié)構(gòu)相比,張弦梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和節(jié)點的種類、數(shù)量大大減少,極大地方便了該類結(jié)構(gòu)的制作、運輸
4、和施工。另外,通過控制鋼索的張拉力,可消除部分施工誤差,提高施工質(zhì)量。43結(jié)構(gòu)成形過程張弦梁結(jié)構(gòu)的成形過程包括剛性構(gòu)件的裝配、索內(nèi)預拉力的施加和整體結(jié)構(gòu)的安裝就位等。只有在對索施加一定的預拉力之后,張弦梁才能成為具有整體剛度的承重結(jié)構(gòu),所以索內(nèi)預拉力的施加是成形的關鍵。3.1索內(nèi)預拉力的施加對鋼索施加預拉力的方法多種多樣,在張弦梁結(jié)構(gòu)中常用為三種:①花籃螺絲調(diào)節(jié)法是通過調(diào)節(jié)索在兩個固定點間的長度來施加預拉力,一般用于施加較小預拉力的張弦梁結(jié)構(gòu)。②張拉鋼索法是通過錨具和千斤頂直接張拉鋼索以施加預拉力,一般有
5、兩端張拉和一端張拉兩種方法。兩端張拉可以使預拉力沿索長的分布相對均勻,適用于跨度較大的結(jié)構(gòu)。③支承卸除法是利用結(jié)構(gòu)自重或附加在結(jié)構(gòu)上的配重來施加預拉力。在結(jié)構(gòu)安裝后卸除支承,由于剛性結(jié)構(gòu)的變形,將部分結(jié)構(gòu)自重和配重傳遞給撐桿,通過撐桿對索施加拉力。單獨采用支承卸除法來施加預拉力時必須預先對剛性構(gòu)件起拱。3.2索預拉力的施加常采用張拉鋼索法對大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施加預拉力。鋼索可以在張弦梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件裝配在結(jié)構(gòu)支座處后一次張拉;可在臨時支架上進行張拉,張拉完畢后再提升并滑移至結(jié)構(gòu)支座處。對在臨時支架上張拉的張弦梁
6、結(jié)構(gòu),還有必要在其安裝到結(jié)構(gòu)支座處后再次張拉,即分批張拉。進行分批張拉的原因:一是考慮到張弦梁整體剛度形成后的強幾何非線性和屋面荷載尚未施加等因素,若在臨時支架上將全部預拉力一次施加上去,可能導致結(jié)構(gòu)變形太大,無法獲得理想的幾何位形;二是對安裝在支座上的張弦梁結(jié)構(gòu)再次張拉可以調(diào)整幾何位形方面的施工誤差,提高施工質(zhì)量。4張弦梁結(jié)構(gòu)研究的重點大跨張弦梁結(jié)構(gòu)已應用于諸多實際工程,但關于其理論和試驗的系統(tǒng)研究還有許多足,并資料中也無記載。現(xiàn)有研究包括:利用商用或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序,考察撐桿數(shù)目、矢
7、跨比、梁弦剛度比、弦的預拉力和邊界約束條件等參數(shù)對成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)性能的影響;對張弦梁屋蓋進行縮尺和足尺模型試驗(浦東國際機場候機樓)4,比較全面地分析了張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉階段和使用階段的受力性能;通過地震振動臺模型試驗,初步分析了張弦梁結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)在地震動下的反應特征。4.1施工控制張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種半剛性結(jié)構(gòu),其整體剛度由剛性構(gòu)件截面尺寸和結(jié)構(gòu)空間幾何形體兩方面共同組成,且具有整體剛度和幾何形態(tài)與施工過程密切相關、結(jié)構(gòu)成形前剛度較弱等特點,因而宜將其施工階段作為一個獨立的過程進行分析。1)預拉力確定。
8、索內(nèi)引進預拉力的目的是形成必要的整體剛度并獲得理想的幾何位形。一是結(jié)構(gòu)整體剛度必須保證:①張弦梁形成一個相對獨立的結(jié)構(gòu),可以僅依靠結(jié)構(gòu)支座支承其重量,此時索內(nèi)拉力與結(jié)構(gòu)自重互相平衡,To=Te;②索在任何外荷載作用下都不能松弛。二是為了獲得理想的幾何形體,必須控制To的最大值。張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱會帶動支座的相對水平位移,即過多的上拱會影響結(jié)構(gòu)的幾何位形。張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱速率與剛性構(gòu)件相對剛度和剛性構(gòu)件的外形有關,剛性構(gòu)件的相對剛