斜拉结构力学性能探讨

4 斜拉结构有限元法分析的基础
斜拉结构属于张力结构体 系的一种 , 在分析中 索单元是 最为重要的结构 单元。由 于索 在不同 的结 构体 系中的 工作 不尽相同 , 力学模型应 能描 述结 构的工 作性 状 , 力学模 型的 选择和控制方程的建立都必须 对结构的材料、 变形 和结构构 件内部的应力、 应变的规律加以抽象、 简化 和限制。所以 , 在 应用中必须了解和 注意建 立力 学模型 的基 本假 定以及 适用 范围、 误差和导致误差的原因以及修正方法。 各种有索参与 的集成 结构 的分析 基础 是非 线性分 析理 论 , 这包括材料的非线性、 几何 非线性和边界 条件的非 线性。 索单元由预应力提供刚度 , 力学模型中必 须表示出 处理为预 应力对刚度 的贡献。 不应把 预应 力处理 为一 种荷 载。索单 元作为一种柔性体 系结 构 , 只能 承受拉 力 , 不能 承受弯 矩和 剪力。在力学模型中不考虑索段的 松弛 , 在迭代分 析过程中 索的刚度可能趋于零而导致松 弛。最近的研 究表明 , 借助于 弹塑性分析的方 法可以 有效 地进行 索段 的松 弛分析 , 但 是 , 不应该允许出现结构 松弛。 目前对求解索单 元刚度的方法已有过相 当的研究 , 各种 方法大都对 索的 应 力水 平或 索 的垂 度等 条 件进 行 了限 制。 索单元的几何是最接近于悬索 线的空间曲线 , 如果 简单地引
5 斜拉结构的节点力学分析
斜拉结构的 节点 设计是 非常 之 关键 的 , 因为 节点 的破 坏往往导致与之相连的若干杆件 的失效 , 从而导致整 个结构 破坏。大量应用于 工程实 践的 直接焊 接钢 管节 点是由 几个 支管交汇而成的三维空间薄壁结 构 , 应 力分布十 分复杂。不 但要求受力明确合理 , 经济美观 , 而且还要适 应变形的协 调。 目前对大直径钢管 空间相 贯节 点的研 究和 应用 需更进 一步 的发展 , 尤其是受力状态下的非线性分析。 此外 , 节点承载力和节点焊缝的验算 则是一项比 较繁琐 而需要有耐心的细致工作。从经济 利益方面 考虑 , 杆 件的规 格往往划分比较细 , 尤 其是 钢桁架 , 每 个节 点的 弦杆和 腹杆 的规格、 角度和受力大小都不尽相同。在 构造上采取 的措施 也不尽相同 , 垫板和加劲板的取舍也非常之关键。 斜拉结构的应 用历 史不长 , 相 关的 文献较 少 , 理论 来源 大体上借鉴斜拉桥的结构、 悬索结构和塔 桅结构等领 域的成 果。由于其分析理论 和 方法 相对 滞后 , 在 极限 承载 力确 定 , 非线性静力和稳定 分析 , 非 线性地 震响 应分 析 , 风振响 应分 析和换索时结构的内力分析等方 面尚缺乏系 统深入的研 究 , 甚至还有空白 , 丞待充实和完善。
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程
结
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用 L agrang ian 插值函数 , 则既增加了运算 量 , 又没有比较精确 的反映出索单元 的几 何。历史 上对索 结构 的解 析解从 没有 很好的结合 , 往往偏重于一方面 , 而忽视了另 一方面的作 用。 在推导有限元单元刚度矩阵时 , 引入单索 在一定荷载 条件和 位移条件下的解析解是 可以大大提高索单元的计算精度的。 斜拉与其他的 刚性 结构形 式相 比 , 其刚度 相对 较小 , 从 而其自振频率就小于其它刚性结 构。因此 , 柔性张力 结构对 动力荷载反应比 一般 刚性结 构要 显著得 多。对 于各种 可能 的动力荷载包括风 作用、 地 震作用 等 , 一般 主要 考虑风 荷载 的影响 , 对地震作用 , 往往 认为 其与柔 性结 构的 自振频 率接 近的低频部分被柔性结构的下部 支撑消弱了 , 因而认 为其对 柔性结构的影响并不显 著。 斜拉结构的动力分 析是一个复杂的结构 动力学问题 , 一 般的振动理论往往不适 用 , 因为其振动 是非线性 的。其非线 性特性主要源于几何非线性 , 对于大型柔 性张力结构 的结构 动力非线性动力特性问题了解得 仍不是很清 楚 , 其高 阶阵型 对动力的响应不容忽略 , 其自振频率的密 频特性也增 加了自 振频率的数值求解难度 。此外 , 柔性张力 与风力相互 作用还 有可能产生驰振和颤振 。
非线性实质上是指结构的几何关系中包括了不可随便忽略应变的高阶量结构在荷载的作用过程中受力性能的平衡方程应该在新的平衡位置中建立结构中的初始应力对结构的刚度有不可忽略的影响预应力对刚度的贡献甚至可能成为索元的主要刚度初应力对索元刚度的贡献应反映在单元的几何刚度矩阵中
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斜拉结构力学性能探讨
3 的斜 拉索挂在 塔顶的锚 固区形成一个索 桁体 系。斜拉 结构的 自振 特性 首先是 指结 构总体的动力特性 , 斜拉索往往处理为一 个受轴向 拉力的杆 单元 ( 或叫索单元 ), 但对斜拉索的弹性模量考虑垂度影响应 进行相应的折减。 斜拉索 还有 一个自 身的 局部 振动的 问题 也应该引起足够的重视 , 作为拉索支承点 的结构总 体的振动 将会使拉索中的轴向拉力发生 周期性变化 , 当结构 的总频率 和某一拉索的横向局部振动频 率成倍数关系 时 , 将 会引发拉 索的自激性参数共振 。 过去传统的斜拉 结构稳定性靠荷载来维 持稳定 , 类似于 单索 ; 现在的斜拉结构 由于 设计 了稳定 系统 , 结 构的稳 定性 靠稳定系统来施加预应力。处理索问题 是 ∀ 稳定 - 平衡 - 刚 度 # 这一结构的根本问题。
参 考文 献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] 韩选江. 现代结构工程技术开发应用与展望 [ M ] . 北京 : 中国水 利水电出版社 , 知识产权出版社 , 2003. 日本钢结构协会 . 钢结构技术总览 [ M ] . 陈以一 , 译. 北京 : 中国 建筑工业出版社 , 2004. R! C ! H ibbeler . 结构分析 [ M ]. 毕 继红 , 译 . 北京 : 电子工业出 版社 , 2005 . 韩选江. 现代结构工程技术开发应用与展望 [ M ] . 北京 : 中国水 利水电出版社 , 知识产权出版社 , 2003. 刘世忠, 欧阳永金 . 独塔单索面部 分斜拉桥力 学性能及 建设实 践 [M ] . 北京 : 中国铁道出版社 , 2006 .
文献标识码
1 斜拉结构综述
当传统 单一 的结构 形式 , 如桁 架、网架 、网壳、 索结 构等不能满足现 代建 筑功能 的要 求时 , 组 合结 构以一 种基 本结构的优 点弥补 另一 类结 构的弱 点。他们 相互 配合 , 相 互补充 , 相得益彰 , 造就 出 更经 济、更 合理、 更美 观、跨 度更大的空间。尤 其是一 种柔 性拉索 与刚 性结 构相组 合的 斜拉结构体系 , 这种结构体系 的关键点是依靠索 ( 斜 拉索、 拉索、悬索 ) 通过预 应力技 术对 结构建 立与 增大 刚度 , 用 于各种类型 的大 跨度的 公共 建筑 , 包 括体育 场 馆 ( 图 1 ) 、 候机候车厅、展 览 馆 等。建 筑 造 型丰 富、 结 构性 能 优 异 , 有很好的应用前景。
2 斜拉结构的力学特性
斜拉结构应形成一个存在应 力回路的自 平衡结构系 统 , 使之处于平衡状态 ( 图 2) 。一般斜拉 集成单元都 是多面 体。 它的的抗拉 元件 ( 索元 ) 和 抗压 元件 ( 杆元、 支 撑 ) 是布 置在 几何多面体的棱 边或 面上。每 个集成 单元 至少 由一根 刚性 杆或支撑与几根 索段 连接。相 连接的 张力 索元 与受压 杆元 处于自锁状态 , 单元越张越紧。张力索元 与受压杆元 中张力 不会因变形而释放 , 张力索元与受压杆件 构成自支承 的张力 集成系统结构单元。为了维持结构 单元的自 锁状态 , 张力索 元是不允许松弛的。自适应能力 是结构自我 减少物理效 应、 反抗变形的能力 , 在不 增加 结构材 料的 前提 下 , 借助外 荷载 或外部作用的效应 , 或某种控制机构来 提高结构 的效率。自 适应结构具有强非线性 , 但它与传统的 非线性结 构不同。在 加载过程中 , 结构逐步 增加 抵抗外 荷载 的能 力 , 调节并 重新 分布结构的刚度。
斜拉结构是 一种典 型的 非线性 和非 保守 性的结 构。非 线性实质上是指结 构的几 何关 系中包 括了 不可 随便忽 略应 变的高阶量 , 结构在荷载的作用过程中受 力性能的 平衡方程 应该在新的平衡位置中建立 , 结构中的初 始应力对 结构的刚 度有不可忽略的影响 , 预应力对刚度的贡 献甚至可 能成为索 元的主要刚度 , 初应力对索元刚度的贡献 应反映在 单元的几 何刚度矩阵中。非 保守性 指结 构系统 从初 始状 态开始 加载 后结构体系的刚度 也随 之改 变 , 但即使 卸去 外荷载 , 使 荷载 恢复到原来的水平时 , 结构体系也并非可 以完全恢 复到原来 的状态和位置。即结构体系的刚度 变化是不 可逆的 , 这也意 味着结构的形变 是不 可逆的。 结构的 非保 守性 使其在 复杂 荷载的作用下有可能因刚度不 断消弱而溃坏 , 但这 也具有自 适应能力的结构 和可 控制结 构的 特点。非 保守 性的结 构易 于获得被控制效果。
图 2 斜拉结构示意图
斜拉结构的性状与形状关系 显得非常密 切 , 因为 斜拉结 构的形状与预应力 的分 布、 预应力 值的 关系 十分密 切 , 相互 依赖。斜拉结构的工作机理和能力 依赖于自 身的形状 , 斜拉 结构的分析和设计需要 形态分析理论。 [ 收稿日期 ] 2006- 11- 21
四川建筑
赵 伟 , 刘玉强
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( 1 西南交通大学, 四川成都 610031 ; 2 中国三江航天集团险峰机械厂, 湖北孝感 431610)
摘 要 斜拉结构作为一种非常 重要的空间组合结构 , 能够提供更 大的建筑 空间 , 可 以表现更 加优美 的力学和美学造 型 。文中 分析了斜拉结构的力学特性 、 振动特性以及有限元方 法对斜拉结构做静力和动力分 析的基 础 , 最后文章特别强调了对节点的设计分析 。 关键词 斜拉结构 ; 非线性 ; 应力回路 ; 自平衡 ; 中图分类号 TU 311 自锁 ; 驰振和颤振 ; A 节点承载力
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四川建筑
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图 1 某体育场看台结构
18 世纪英国工业革命 后 , 英、 德、 法等国家相继出现了不 少斜拉结构 , 但由于涉及拉索截面面积偏 小且在施 工时拉索 未被绷紧 , 因而荷载作用下在主体结构中 已经产生 了极大的 变形后斜拉索才开始参加工作 , 先后有几 座斜拉结 构发生倒 塌。庆幸的是 , 美国 工程 师 R oeb ling 于 19 世 纪末 叶澄 清了 人们对斜拉结 构的 误解。进 入 20 世纪 , 尤其 是第 二次 世界 大战以来 , 斜拉结构终 于迎 来它 快速发 展时 期 , 发展的 直接 动因是建筑新材料出现、 结构计算理论的 不断完善 和新一轮 工业革命浪潮所 激发 的强劲 的社 会需求。 现在 的设计 师接 受新的设计理念 , 发挥更大的想象力 , 创造设 计了体系 新颖、 千姿百态的斜拉工程 , 令人惊讶不已。