单榀张弦桁架结构静力性能程序开发

发布时间：2016-05-30 05:10

1.绪论

随着人类生产、生活的不断推进，人们对大跨度高性能建筑物的需求不断增加。近几年，随着奥运会、世博会、世界杯等重大的国际性活动的举行，大跨度空间结构在国内外发展迅速。这些大跨度的建筑所具有的共同特点是：质量轻、造型美观、受力合理、抗震性能好等。并且随着计算理论逐步完善，跟计算机技术的的突破性发展，新结构形式与施工方法的不断出现以及新颖、高强、轻质材料的应用，这使得更多的大跨度新空间结构形式成为可能[1-2]。空间结构具有受力更加合理、跨度大、建筑形式多样，但是在实际工程中仅采用单一的结构形式常常会存在一定的缺陷。为了充分地利用材料性能，结合各种结构的特点，将不同类型的结构形式按一定规律结合而形成新型结构体系，如拱支结构、斜拉结构、弦支结构等[3]。张弦桁架结构是把预应力拉索跟桁架结构杂交得到的一种新结构形式，由于在大跨度方面所具有的优越性，并且其结构形式简洁，受力明确，建筑效果多样，因此也是一种被广泛应用的新型大跨度空间结构形式，具有十分广阔的应用前景。

1.1 张弦桁架的简介

1.1.1 张弦桁架结构的定义
随着人们对张弦梁受力特点及结构形式的深入研究而衍生出的一种新的结构形式张弦桁架结构。张弦梁结构，最初是由“将弦进行张拉、与梁组合”这一基本形式而得名。“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”这一张弦梁结构概念最早是由日本大学 M．Saitoh 教授首先提出的[5]。张弦结构所具有的共同特点是将上部刚性构件（桁架、型钢梁）跟下部柔性拉索通过撑杆连接而成的，然后再对拉索预先施加预应力，使张弦结构体系形成整体刚度，因此能承受较大的荷载实现更大的跨度[6]。如图 1.1。张弦桁架结构就是将张弦梁结构中的上弦梁构件替换为上弦拱形桁架。
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1.2 ANSYS 的二次开发的研究现状
ANSYS 做为一款大型通用性有限元分析软件，其应用范围涵盖了许多行业，但是对于某个专业领域而言，具体的操作步骤时很繁琐的，并且其具体的操作界面是全英文的，会对国内很大一部分人员的使用产生不便。由于 ANSYS 是通用性软件在对具体的问题分析时不会给予专业性的建议，ANSYS 也不能在操作人员分析错误时提供合理的建议方法。因此往往需要依靠有经验的分析人员对具体的问题不断进行优化，还要花费大量的时间跟精力对结果进行不断调试。为了将ANSYS 在各个领域中应用更加的方便快捷，就衍生出了关于 ANSYS 的二次开发，以及在 ANSYS 基础上二次开发的某专业的专用软件。ANSYS 软件为了解决各个专业领域的应用问题提供了专门的二次开发功能。在具体的二次开发时一般是应用 APDL 进行参数化建模跟分析，可以省去操作人员大量的重复性的操作，同时也便于修改。ANSYS 提供的 UIDL 用于ANSYS 操作界面的开发，可以用此种语言对系统菜单选项、对话框等按用户的需求进行编辑[9-10]。此外还可以结合 VB、VC 等语言跟 ANSYS 进行结合，VB等开发语言可以设计出良好的人际交互式界面便于操作人员进行数据输入，然后再将生成的文件跟 ANSYS 对接即可完成有限元分析[11-12]。关于 ANSYS 的二次开发应用研究早已经开始了。例如，郭士雄,李国强[13]通过 UIDL 定制出用于钢结构的设计的人机交互界面跟对话框等，然后再利用APDL 经行参数化建模、加荷载、分析等。
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2.张弦结构基本原理

张弦结构是由撑杆连接主要承重的刚性上弦构件跟柔性的下弦构件，同时也是一种具有优越承载能力的自平衡体系结构，由于张弦结构是由“刚性”和“柔性”两种结构体系组成，于是也将其归类于“杂交体系”的范畴[3]。对于张弦结构在实际的工程应用中跨度都很大，一般由于一端支座为可滑动支座，在荷载作用下跟对下弦拉索进行张拉时支座都会产生位移，因此十分有必要区分张弦结构施加预应力前后结构的形态[18]。

2.1 张弦结构形态定义
根据张弦结构的受力特点、加工状态、施工方式常把张弦结构在受力过程中涉及的状态定义分为零状态、初始态和荷载态三种。各状态的定义及受力情况[19]：（如图 2.1）零状态（结构的放样状态）：在对索施加预应力前的状态，即在没有施加预应力也不考虑自重时构件的加工、放样状态。该状态下结构的受力情况：无自重+无预应力。初始态（预应力态）：在对索施加完预应力后，，并且完成说了屋面的结构施工的状态，此时也拆除了支撑，结构已经形成了自平衡体系，此时所对应的几何参数就是图纸的设计几何外形，也是建筑施工图中明确的结构建筑外形，即结构完成后验收的状态。该状态下结构的受力情况：自重+预应力。荷载态：结构在初始形态基础上受外荷载作用发生新的变形后达到的平衡状态。受力情况：自重+预应力+外荷载（活荷载+恒荷载）[20]。
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2.2 预应力的作用
要考虑预应力在张弦结构中的作用就首先阐明对预应力的定义，指的是在没有外荷载作用下结构内部所维持的自平衡内力分布。在张拉下弦索过程，索中的张力包括两部分效应：一是在结构自重作用跟外荷载作用下引起的索内力，还有就是通过对索施加预应力而产生的内力。因此在对拉索进行张拉的过程就是为了让拉索参与结构形成整体共同工作的过程，而不只是指对拉索施加预应力[22]。在张弦结构中施加预应力一般认为主要有两个作用：一是拉索中的预应力是为了让整个张弦桁架结构获得整体的刚度，同时也为了避免出现在某些外荷载作用下使拉索不再受拉而退出工作。二是为了改善上弦刚性构件的受力性能，减小上弦刚性构件在外荷载作用下的弯矩大小[23-25]。
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3.单榀张弦桁架计算程序的介绍........12
3.1 程序开发工具的介绍......... 12
3.1.1 ANSYS 的简介..... 12
3.1.2 APDL 语言的简介...... 12
3.1.3 Visual Basic 语言........ 12
3.2 张弦桁架结构模型建立选取.... 13
3.2.1 上弦桁架截面形式的选取..... 13
3.2.2 计算单元以及材料的选取..... 14
3.3 张弦桁架结构所受荷载种类及工况确定..... 15
3.3.1 荷载种类..... 15
3.3.2 荷载工况确定.... 18
3.4 计算程序的介绍.......... 18
3.5 开发思路......... 21
3.6 开发成果......... 22
3.6.1 参数化建模......... 22
3.6.2 结果输出..... 22
4.单榀张弦桁架结构的静力性能影响因素......26
4.1 模型选取及荷载确定......... 26
4.2 主要参数对单榀张弦桁架结构受力性能的影响分析...... 27
4.3 风荷载对受力性能的影响分析....... 40
4.3.1 张弦桁架在竖向风荷载作用下受力分析......... 40
4.3.2 张弦桁架在水平方向的风荷载作用下受力分析.... 41
5.结论与展望.....44

4.单榀张弦桁架结构的静力性能影响因素

单榀张弦桁架结构可通过不同的布置方式如双向、多向以及呈辐射式，形成受力性能更为合理的空间张弦桁架结构体系。因此单榀张弦桁架结构的性能对整体结构的性能起着非常重要的作用。参考文献[39]研究了影响单榀张弦梁的因素，通过对各主要因素垂跨比，矢高比，撑杆数，拉索的预应力值分别定量分析，总结出了张弦结构在各主要影响因素变化时在内力和变形的规律。本章主要内容是利用上章编制的单榀张弦桁架结构分析程序来研究其静力性能，并详细讨论了撑杆数目、矢跨比、垂跨比、索的预应力和索截面积等主要因素对单榀张弦桁架结构静力性能影响规律，并参考文献[39]的结论对各影响因数进行讨论，得出在跨度在 125m 时各个因素相对合理的一个取值范围，从而全面了解结构的主要参数对体系内力和位移的影响情况，对于其他跨度的张弦桁架，按照相同的方法确定其合理参数范围，并为张弦桁架设计时各因数的取值提供一定的参考意义。

4.1 模型选取及荷载确定

参考某张弦桁架结构工程实例为基础模型[40]，上弦桁架的截面形式为倒三角行，地面粗糙度为 C，选取张弦桁架跨度为 l=125m，上弦桁架宽度为 a=4m，上、下弦杆的高度差为 b=3m，张弦桁架矢高为 f=8m，矢跨比为：0.064，垂度为 h=4m，垂跨比为：0.032，撑杆数目为 s=11，下悬索采用的是 337 根Ф×7 冷拉钢丝组成的钢丝束，截面面积 A=0.012969 m2，在拉索施加的预拉力为 sp=300KN。设每9m 设置一榀平行布置的张弦桁架，荷载等效换算成节点荷载施加在张弦桁架上弦各节点上，恒载 q1=32.4KN，屋面活载 q2=9.45kN，雪荷载 q3=5.04kN，迎风荷载 q4=-35.28kN，背风荷载 q6=-22.05kN。桁架两端处一端为固定支座，一端为滑动支座。

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结论

张弦桁架结构是近年来一种新型的大跨度空间结构，以其优越的受力性能而受到广泛的亲睐，本文选取上弦桁架截面为倒三角形的单榀张弦桁架作为研究的对象，为了便于对张弦桁架结构的受力性能研究，本文建立了上弦桁架截面形式为倒三角的单榀张弦桁架模型分析程序，并用该程序对单榀张弦桁架结构进行的受力分析，并对影响张弦桁架结构的主要因素：撑杆数目、矢高比、垂跨比、预应力值、拉索截面积、桁架高度，进行分析讨论，得出本文讨论的张弦桁架模型有关影响参数的合理取值范围，得出以下结论：
（1）通过建立的倒三角形截面张弦桁架计算程序可以快速建立模型并进行受力性能分析，在中文的人机交互式操作界面下，通过输入不同的参数可快速进行反复计算，并且可以输出结果云图以及结构内力文本文件到指定的文件夹。
（2）张弦桁架的撑杆数目确定需要考虑到其对结构的位移跟内力的影响，撑杆作用相当于给上部桁架提供了一个弹性支撑，单从受力分析角度撑杆数目再超过 3 个数目后对于跨度 125m 的张弦桁架的受力性能改善就不再明显，结构各构件内力对撑杆数目改变不是很敏感，但考虑到实际建筑效果需求等因素，建议设置 9~11 根撑杆，符合文献[41]中工程实例的撑杆数目取值。
（3）增大张弦桁架的矢跨比跟垂跨比对改善结构的受力性能有较好的效果，但是整体结构的用钢量增大并不明显；当矢夸比和垂跨比增大到一定程度后对结构的位移跟内力影响不大，改善结构受力性能将不再明显，因此两个的取值范围要适当，建议对本文的模型的矢跨比取值范围为：0.06~0.09，垂跨比取值范围为 0.05~0.09，满足文献[41]中工程实例的垂跨比、矢跨比取值。
（4）张弦桁架的也是一种预应力结构，要对拉索施加一定的预应力值，来减小结构在荷载作用下的挠度，以及抵消拱形桁架在结构两端产生的结构反力。拉索中的预应力不能过小，过小可能会在外荷载特别是风荷载作用下因受压而退出工作，也不能过大，过大了会使桁架杆件产生过大的内力，从而增大了用钢量，也增大的施工难度，对于本文所取的模型建议预应力取值范围为 900kN~1300kN，同时也跟文献[41]中工程实例对拉索预应力的取值相符合。
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参考文献(略)

本文编号：51772