126_6m跨张弦桁架结构的设计与研究

共 10 根, 长 3. 537～10m , 截面均为 325×7. 5, 材 质也是 Q345B. 撑 杆上端 通过销 轴与桁 架下弦 连 接, 下端通过一个球形节点与拉索连接.
图 1 张弦桁架透视图
每个展厅布置 6 榀同样的张弦桁架, 中线间距 15m. 每榀桁架之间在端部布置了垂直支撑, 在上弦 布置了水平支撑, 保证了桁架的整体稳定. 桁架的两 端由刚度很大的砼柱支承( 图 2) , 南端高, 北端低, 高差为 3m.
457×14 480×25 273×9 325×7. 5 337 7
内力( kN) - 499 - 3867 - 456
- 117 4435
3. 3 张弦桁架的整体稳定 从整体上看桁架是一个细长的压弯构件, 在支
撑体系全部安装完成后, 其稳定性能是很好的, 但在 张拉过程中和吊装单榀张弦桁架时, 需要考虑桁架 是否会发生整体失稳. 用 ST RAND 软件对单榀张
由于张弦桁架有很大的竖向刚度, 在竖向荷载 下它的位移很小, 因此几何非线性因素的影响不大. 用同济大学的来自百度文库3D3S 软件和澳大 利亚的 ST RAND 软件分别对张弦桁架进行竖向荷载作用下的线性和
非线性的分析, 跨中挠度计算结果见表 1.
表 1 跨中挠度计算结果
3D3 S ( 线性)
ST R AN D ( 线性)
使整个结构具有一定的刚度, 这个预应力的大小应 该适当. 如果预应力太大, 会给桁架附加太大的轴向 压力和弯矩, 从而增加整个结构的用钢量; 如果太 小, 可能会使拉索在向上的风吸力的作用下退出工 作, 不能保证结构的安全. 设计中以桁架的反拱量来 控制预应力的大小. 在没有预应力的情况下, 屋盖的 全部恒载使 桁架产生 334mm 的竖向位移, 经过计 算, 要 使 桁 架 产 生 334mm 的 反 拱, 需 对 索 施 加 237kN 的预应力. 实际施工中, 用位移来 控制预应 力的施 加, 当 反拱达 到 334m m 时, 预 应力 只加 到 200kN. 这是因为拱形桁架的实际刚度比理论计算 的小[ 3～ 5] . 3. 2 杆件的内力
移曲线呈现出较为明显的非线性特征, 说明桁架的 刚度有明显的下降.
张弦桁架施工阶段的实测结果也反映出结构的 刚度有较大的衰减, 与分析研究的结果相符.
图 11 试验桁架三维视 图
图 10 撑杆与拉索的连接节点
为了保证撑杆钢球 节点不致在拉索上发生滑 动, 必须拧紧半球上的四颗高强螺栓, 使半球对拉索 产生足够的压力, 从而使两者之间产生足够的摩擦 力. 必须注意的是随着内力的增大, 拉索直径会有微 量的减小, 必须逐次拧紧半球上的螺栓. 为保证最后 有足够的摩擦力, 应通过试验确定拧紧半球上的四 个螺栓所需的扭矩[ 8] .
铸钢节点所用的钢材不仅要有足够的强度、良
图 7 最大设计荷载作用下节点 Mises 应力图
为了确保铸钢节点在实际工程中安全可靠, 本 工程对其进行了足尺试验以验证其承载力[ 7] . 4. 3 张弦桁架与下部砼结构的连接节点
张弦桁架跨度达 126. 6m, 温度变形相当大, 为 了减少温度作用引起的内力, 把张弦桁架的一端设 计为一个固定铰支座( 图 8) , 另一端设计为一个滑 动铰支座( 图 9) .
采用 3D3S 软件和 ST RAND 软件进行分析. 起 控制作用的荷 载组合是恒载 和活载的组合, 在 1. 1kN / m2 的恒载, 0. 5kN / m2 的活载 和 200kN 的 预 应力的作用下, 各主要杆件的控制内力见表 2.
表 2 主要杆件的控制内力
上弦杆 下弦杆 腹杆
撑杆 钢索
图 2 张弦桁架布置图
2 张弦结构的特点
张弦桁架突出的特点是有很大的截面高度, 因 而具有很大的竖向刚度, 而且其高度变化正好与弯 矩的变化一致, 截面最高的地方正好是弯矩最大的 地方, 因此受力非常合理. 从总体上看, 这种结构还 是一种单向传力的构件, 因此使用在长宽比较大的 大跨度建筑中最合适. 在设计中把受压的上部设计 为三角形断面的桁架, 使得它具有很好的稳定性, 而 受拉的下部采用高强的钢索, 显得十分轻巧, 因为这 种结构占了较大的建筑空间, 所以把下部设计得美 观、轻巧是十分重要的.
1 张弦桁架的布置与截面设计
广州国 际会议展 览中心 的顶层有 五个 126× 90m 的无柱大展厅, 其屋盖采用预应力张弦桁架结 构体系[ 1] [ 2] . 桁架的跨度为 126. 6m.
张弦桁架由上部的拱形钢管桁架、下部的钢索 以及中间的撑杆构成( 图 1) . 上部拱形钢管桁架为 倒 三角形断面, 下 弦是一根 480×( 19～25) 的钢 管, 上弦是二根 457×14 的钢管, 上弦 2 根钢管的 间 距 为 3000m m, 上 下 弦 之 间 的 距 离 在 跨 中 为 3000mm , 在两端为 2000mm , 桁架的腹杆为 168× 6～ 273×9 的钢管, 材质均为 Q345B. 下部的拉索 为 337 根 7 的高强冷拔镀锌钢丝组成的扭绞型拉 索, 钢丝的强度级别为 1570M P a, 钢索的破断荷载 为 20000kN. 钢索外包 P E 护层, 两端采用冷铸锚锚 固在与桁架下弦相连的铸钢节点上. 桁架中部撑杆
图 8 固定铰支座
图 6 桁架下弦与预应力拉索连接节点
图 9 滑动铰支座
第 1 期
杨叔庸, 等: 126. 6m 跨张弦桁架结构的设计与研究
27
4. 4 撑杆与拉索的连接节点 撑杆与拉索的连接节点如图 10 所示, 它能满足
两个基本设计要求: 第一, 能让撑杆在张弦桁架平面 内绕节点转动, 因为张拉预应力索的时候, 撑杆与索 的夹角会随之变化; 第二, 保证节点在拉索上不会发 生滑动, 以避免使该结构变成一个机构.
ST R A ND ( 非线性 )
挠 度( mm) 448. 5
447. 7
450. 6
可见, 如果单纯考虑竖向荷载, 几何非线性的影 响是可以忽略不计的. 如果把索的预应力作为一种 单纯的工况来考虑, 由于上部桁架有较大的刚度, 在 预应力较小的时候( 实际上控制预应力, 使所产生的 反拱不超过竖向荷载引起的挠度) , 非线性的影响也 是很小的.
26
空 间 结 构 第 11 卷
弦桁架进行稳定分析, 得出张弦桁架在线弹性条件 下的临界荷载为实际荷载的 13. 7 倍. 结构的失稳模 态如图 4 所示, 表现为侧向失稳形态.
图 4 结构的失稳模态
好的塑性, 还要有良好的焊接性能. 钢材性能由化学 成分决定, 本工程参考德国标准《高焊接性能和韧性的通 用铸钢件》DINI7182- 1992, 要求炭当量小于 0. 42% , 屈服强度不小于 230M Pa, 伸长率不小于 22% .
收稿日期: 2005-01-20. 作者简介: 杨叔庸( 1947—) , 男, 浙江宁波人, 副总工程师, 主要从事建筑结构设计与研究.
第 1 期
杨叔庸, 等: 126. 6m 跨张弦桁架结构的设计与研究
25
的简单索梁结构可以看出, 假如撑杆下端发生一个 出平面的位移, 那么索的拉力和撑杆的推力的合力 是指向撑杆的原来位置的, 它一定会使撑杆回到原 来的位置, 这说明张弦桁架的撑杆处在一种自平衡 状态中, 不会发生平面外的失稳.
铸钢节点的形体和受力十分复杂, 本工程采用 大型有限元软件 AN SYS 对它的受力情况进行了分 析. 计算单元采用 10 节点 4 面体实体单元. 应力分 析结果如图 7 所示.
4 节点设计
4. 1 桁架腹杆与弦杆的连接节点 桁架的腹杆与弦杆均为圆管, 它们的连接采用
直接焊接的 KK 型相贯节点( 图 5) . 节点的承载能 力与弦杆的钢材强度、弦杆的外径和壁厚、腹杆和弦 杆的外径之比、腹杆和弦杆的夹角、受压腹杆和受拉 腹杆的间距等因素有关, 采用新版《钢结构设计规 范》推荐的公式计算, 并通过试验进行了验证[ 6] .
Abstract: In t his paper , the char act er ist ic of larg e-span t russ-st ring-str ucture( T SS) of Guangzho u Int ernat ional Convent ion and Ex hibit ion Cent er is intr oduced to gether w it h it s st ruct ural anal ysis and joints design. Ot her st udy result s f or t he stif fness o f T SS, t he dynam ic charact erist ic in t he dir ect io n of ho rizon, and exper im ent al research o n bended-pipe crossing jo int s o f pipes and cast st eel support s ar e also int rodu ced . Key words: larg e-span st ruct ure; t russ-str ing -st ruct ur e; bended pipe; crossing jo int ; cast st eel joint
第 11 卷第 1 期 2005 年 3 月
空 间 结 构
SP A T IA L ST R U CT U RES
Vo l. 11 N o. 1 M ar. 2005
126. 6m 跨张弦桁架结构的设计与研究
杨叔庸, 孙文波, 舒宣武
( 华南理工大学建筑设计研究院, 广东 广州 510641)
摘 要: 介绍了广州国际会议展览中心屋盖的大跨度张弦 桁架结构的特点、结构分析和 节点设计的情况, 介绍了关 于张弦桁架结构的刚度和水平动力特性方面 的研究, 以及弯曲钢管、相贯节点、铸钢节点等试验研究的成果 . 关键词: 大跨度钢结构; 张弦桁架结构; 弯曲钢管; 相贯节点; 铸钢节点 中图分类号: T U 394 文献标识码: A 文章编号: 1006-6578( 2005) 01-0024-06
5 弯曲钢管桁架刚度的研究
弯曲钢管在加工时, 材性会有一定的变化, 这些 变化会引起桁架刚度的变化, 设计中通常不考虑这 些变化, 这样就会使计算结果与实际情况有一定的 差异. 为研究这种差异进行了弯曲钢管桁架的试验 研究. 结合材性试验, 探讨了材料性能改变以及分布 不均匀时, 对结构杆件力学性能产生的影响, 提出了 考虑这种影响的算法[ 3] .
相对而言, 张弦桁架结构的侧向刚度比较小, 在 上弦设置水平支撑, 保证了它的整体稳定. 然而撑杆 上下端都是铰接, 在受到较大的轴向力的时候, 需要 考虑它是否会发生出平面的失稳, 是否需要侧向的 拉索来保证它的稳定. 通过图 3 所示的一个单撑杆
图 3 单撑杆索梁结构
3 结构分析
3. 1 预应力度的确定 给张弦桁架的拉索施加一定的预应力, 是为了
Design and research of a truss string structure with a long span of 126. 6m
YANG Shu-yo ng, SU N Wen-bo , SHU Xuan-w u
( A rchitectural Design and Research I nstiw te, South China U niver sity of T echnology , Guang z hou 510641, China)
图 5 双 K 型节点透视图
4. 2 桁架与预应力拉索的连接节点 桁架两端下弦杆与预应力拉索的连接节点是重
4. 5 吨和 6. 5 吨的铸钢节点( 图 6) . 下弦杆和拉索是 整个结构中受力最大的构件, 它们之间的夹角很小. 为了解决它们相碰的问题, 把节点与下弦杆相连的 部分设计成锥形的筒, 使拉索从筒壁斜穿而过. 拉索 的端部锚固在锥形筒尾部的大圆盘上. 节点上还焊 接着桁架的腹杆、桁架端部的垂直支撑.