辐射式张弦梁结构动力特性初探
张弦梁结构的自振特性分析_王秀丽
文章编号:1673-5196(2006)04-0105-04张弦梁结构的自振特性分析王秀丽1,丁南生1,崔继付2(1.兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州 730050;2.甘肃省建筑设计研究院,甘肃兰州 730000)摘要:利用A N SYS软件中的子空间迭代法,分析了张弦梁结构的自振特性,针对不同的参数如矢跨比、垂跨比、撑杆数、横索数、预应力度和整体倾角等进行了大量参数分析,得出了各参数对张弦梁结构的自振特性的影响及张梁弦结构的自振规律.关键词:张弦梁;模态分析;自振频率;自振特性分析;子空间迭代法中图分类号:T U311.3 文献标识码:AAnalysis of free vibration characteristics of stringed beam structureWANG Xiu-li1,DING Nan-sheng1,CU I Ji-fu2(1.College of Civil Engin eer,Lanzh ou Univ.of Tech.,Lanz hou 730050,C hina;2.Gansu P rovincial In stitu te of Architectural Design& Research,Lanzh ou 730000,China)A bstract:The free vibration cha racteristics of stringed beam structure w ere analy zed sy stem atically w ith subspace iteration me thod o f softw are ANSYS.Through a large amount of analy sis of the different param-eters,such as rise-span ratio,sag-span ratio,num ber of struts,numbe r o f lateral string,prestress,ob-lique angle,e tc,the influence of seve ral parame ters on the free vibration characteristics o f stringed beam structure as well as the pattern of free vibration w ere o btained.Key words:stringed beam structure;modal analy sis;free vibration frequency;free vibratio n characte ris-tics analysis;subspace iteratio n metho d 张弦梁结构是一种由弦、撑杆和抗弯受压构件组成的新型空间结构,是通过在弦中施加预应力来改善抗弯受压构件的受力性能的自平衡体系[1～3].在结构的振动分析中,结构的固有频率和振型是承受动力荷载结构设计中的重要参数,也是结构动力分析的基础.结构的自振特性主要指自振频率和振型,二者组成特征对.自振频率是结构本身的重要特性,由此可知结构的刚度特性,并反映结构质量和刚度的匹配情况,而且对结构动力响应的大小有决定性的影响.各阶频率所对应的振型决定了其动力参与系数的大小,也就决定了其对结构动力响应所作贡献的大小.通过对结构的振型分析,可以明确结构的刚度分布情况,从而得知结构各个部分刚度的强弱[4～6].本文利用ANSYS软件,采用不同的参数对张弦梁结构的自振特性进行了分析. 收稿日期:2005-09-06 基金项目:国家自然科学基金(50338010) 作者简介:王秀丽(1963-),女,辽宁沈阳人,博士,教授,博导.1 多自由度体系振动方程和自振特性计算方法对于张弦梁结构体系,由于其阻尼比很小,在理论上分析时忽略阻尼对其自振特性的影响,故张弦梁结构自振特性可由结构在无阻尼自由振动时的频率及相应的振型表示.张弦梁结构无阻尼自由振动方程[6]为M¨U+KU=0(1)式中:M为质量矩阵;K为在整体坐标下的总刚度矩阵;U为位移列阵;¨U为加速度列阵.多自由度体系无阻尼自由振动方程可归结为广义特征问题,式(1)解的形式为KΥ=MΥΛ(2)式中:Υ=[Υ1,Υ2,…,Υn]为振型矩阵;Λ为频率对角矩阵,Λ=ω21ω22ω2n第32卷第4期2006年8月兰 州 理 工 大 学 学 报Jo urnal of Lanzho u Univ ersity of T echno lo gyVo l.32No.4A ug.2006 鉴于张弦梁结构的自由度庞大,式(2)可归结为大型特征值问题,对于特征值及特征向量的有效解法是非常必要的,而求解所有的特征值近乎不可能,也没有必要.实际工程中有用的是低频率或某一频率段的固有频率,此时子空间迭代法是极其有效的.子空间迭代法[7]是一种逐步迭代求解广义特征值问题的方法,是反迭代法和Ray leigh-Ritza法的发展,目的是求出结构的前阶频率及振型,它们满足式(2).各振型应满足正交条件[5],即φT Kφ=ΛφT Mφ(3) 子空间迭代法的基本思路是选择m个线性无关的初始向量,而后使用逆迭代和Ritza法进行迭代,即通过迭代使参加的振型逐渐逼近特征空间,可以按任意的精度逼近精确振型的解.其中逆迭代法的目的是使m个迭代向量所张的子空间V m向m 个向量所张的子空间E m逼近;Ray leigh-Ritza法的作用是使迭代向量正交化,当V m很接近E m时,就可求出较精确的m阶特征值.任一体系自由振动特性的分析可归结为解广义特征值问题:KΥ=ω2MΥ(4) 进行求解广义特征值时通常采用广义雅可比法,这种方法利用雅可比阵[8]作为变化矩阵,把矩阵K和M非对角元素逐渐零化,从而使之变化趋向于对角阵.用子空间迭代法求频率和振型时,为了避免刚度矩阵有病态而影响计算精度或导致失败,通常还采用移位技术[9],即选适当的移位值θ,将式(4)改为(K+θM)Υ=(ω2+θ)MΥ(5)解出后再将频率移回.移位值要针对所分析的结构以及采用的单位来选定.2 张弦梁结构自振频率由于张弦梁结构的自由度庞大,同时受到多参数的影响,因此本文采用跨度为100m的张弦梁结构空间计算模型,运用子空间迭代法进行分析[6,9,11],选用空间杆单元LINK8、LINK10和梁单元BEAM4描述张弦立体桁架各杆件及索系,并针对不同的参数,如不同矢跨比、垂跨比、撑杆数、横索数、预应力度和整体倾角等进行了大量参数分析,得出张弦梁结构在相应工况下的自振频率和振型,从而研究其自振特性.2.1 矢跨比和垂跨比的影响经过分析,得到不同矢跨比和垂跨比时的基频和自振频率的变化关系,见表1和图1.表1 不同矢跨比和垂跨比时的基频Tab.1 Fundamental frequency of structure with different rise-span ratio and sag-span ratio矢跨比基频/Hz垂跨比基频/Hz0.070.791940.02 1.206700.09 1.039700.03 1.108200.11 1.108200.050.931430.13 1.083500.080.733760.15 1.031400.110.56436(a)矢跨比(b)垂跨比图1 不同矢跨比和垂跨比与自振频率的关系Fig.1 Relation of rise-span ratio and sag-span ratio with free vibrat ion frequency 1)矢跨比的影响由表1可知结构基频随着矢跨比增大而增大,但达到0.11后出现减小的趋势,说明张弦梁结构的矢跨比加大提高了张弦梁结构的刚度,但结构的基频随着矢跨比的增大其值都变化不大,这说明单向106 兰州理工大学学报 第32卷张弦梁结构的第一阶自振以纵向水平振动为主,结构的矢跨比加大,对此方向的刚度影响不大.张弦梁结构的自振频率与矢跨比的变化关系如图1a所示,由图1a可以看出,在同等荷载作用及支座条件下,结构的自振频率在34阶之前随着矢跨比增大而增大,34阶之后随着矢跨比增大呈现出较快减小的趋势,但矢跨比达到0.11后,减小的幅度明显减弱.这表明张弦梁结构的高阶振型为水平和竖向振动耦合的自振形式,随着矢跨比的增大,对张弦梁结构的竖向刚度有一定的影响.2)垂跨比的影响张弦梁结构的垂跨比对其基频影响可以从表1看出,随着垂跨比的增大一直减小,说明撑杆下由柔性索连接,加大垂跨比对张弦梁结构的刚度并没有提高,而是有减小的趋势,而且基频随着垂跨比的增大而减小,这说明张弦梁结构的垂跨比加大,对水平向的刚度有一定的影响.张弦梁结构的自振频率与垂跨比的变化关系如图1b所示,由图1b可以看出,在同等荷载作用及支座条件下,结构的自振频率随着垂跨比增大呈现出减小的趋势,这说明垂跨比加大减弱了张弦梁结构的刚度.2.2 撑杆数和横索数的影响1)撑杆数的影响在此采用跨度为100m,横索数为3根,两端支座为简支的张弦梁结构空间计算模型,在ANSYS 中进行分析,结果如表2和图2a所示.由表2和图2a可以看出,在同等荷载作用及支座条件下,基频随着撑杆数的增加而增大,其高阶频率则随着撑杆数的增加反而减小,这说明撑杆数的增大,对张弦梁结构的水平刚度有一定影响,但影响不大,并没有大大提高张弦梁结构的刚度.表2 不同撑杆数和横索数时的基频Tab.2 Fundam ental frequency of structure with different numbers of struts and numbers of lateral string 撑杆数基频/H z横索数基频/H z30.8215910.7627270.882783 1.15151110.917005 1.29131 190.969217 1.35410230.9713711 1.41020 2)横索数的影响横索数对张弦梁结构的自振特性有一定的影响,计算结果如表2和图2b所示.从表2和图2b来看,基频随着横索数的增大一直在增大,其高阶频率也随着横索数的增加,结构的自振频率增大.表2和图2b说明单向张弦梁结构的第一阶自振以纵向水(a)撑杆数(b)横索数图2 不同撑杆数和横索根数与自振频率的关系Fig.2 Relation of number of struts and num ber of lateral string with free vibration frequency平振动为主,随着横索数的增大,横索的约束作用对张弦梁结构的平面外刚度提高很大,同时随着横索数的增多,张弦梁结构的整体刚度也逐渐增大,因此横索数对张弦梁结构的自振特性影响很大.2.3 预应力度和整体倾角的影响通过分析,得到不同预应力度和整体倾角对基频和自振频率的影响,见表3.表3 不同预应力度和整体倾角时的基频Tab.3 Fundamental frequency of structure with different prestresses and oblique angles预张力度/kN基频/Hz整体倾角/(°)基频/Hz 200 1.10760 1.1082500 1.1079arctan0.03 1.1076800 1.1082arctan0.06 1.10561000 1.1087arctan0.12 1.09791200 1.1092arctan0.18 1.0852 由表3可见在同等支座条件下,基频随着预应力的增加略有增大,说明索的预应力会改变结构的刚度,从而也会影响结构的基频,但影响非常小;基107第4期 王秀丽等:张弦梁结构的自振特性分析 频随着整体倾角的增加略有减小,但其对张弦梁结构的基频的影响都也很小.从表3可以看出,在同等条件下预应力度的加大对张弦梁的基频虽有一定的增大,但变化很小,从第二阶开始,随着预应力度的加大张弦梁结构的自振频率几乎没有什么差别,这说明增加索的预张力对结构的刚度没有很好的加强,因此对结构的自振频率影响甚微.由表3可以得出,随着整体倾角的增大,张弦梁结构的频率稍微有点减小,但变化很小,即整体倾角对张弦梁结构的自振频率几乎没有什么大的影响,这也说明了改变倾角对张弦梁结构的刚度没有什么影响,在建筑上可以根据建筑要求选择结构的整体倾角.2.4 振型图在此采用跨度为100m、撑杆数为9根、索的预应力度为800kN的张弦梁结构空间计算模型,提取其前100阶振型进行分析.从其前100阶振型图中可以看出,张弦梁结构的振型可以分为水平与竖向振型.第1～14阶振型为水平振动为主,主要表现为索的平面外振动,这表明张弦梁结构的下弦索在平面外的刚度较弱,但此时结构的上弦梁基本没有变形,结构表现出的仅是结构的局部振动而非整体振动;第15～68阶振型出现竖向振动,而且从第15阶振型以后就开始出现水平振动和竖向振动的耦合.因此若仅考虑前几阶振型,利用建筑结构动力分析中常用的振型叠加法对结构进行动力分析,就会产生较大的误差.对张弦梁这种形式复杂、刚度不均匀的结构,其前几个甚至前几十个振型都仅是结构的局部振动而非整体振动,应综合考虑振型的有效质量值,确定参与振型叠加合理振型数.3 结论1)张弦梁结构频谱相当密集,没有出现大的跳跃.这些分布密集的频率呈现出阶梯状分布的特点,在阶梯的分段处,结构的振型往往也表现出较明显的变化特点.由于索的作用,该对称结构的基本振型并没有对称出现,并且频率分布相对比较密集的阶数达35阶之多,建议对结构进行动力分析时,振型数不少于35阶.2)张弦梁结构的基频都较小,表明结构较柔,刚度较弱,其基频随着矢跨比增大而增大,随着垂跨比增大而减小,随着撑杆数和横索根数的增加而增加.预应力度和整体倾角对结构的基频基本影响很小.3)不同矢跨比、垂跨比、撑杆数、横索数对张弦梁结构的自振特性都有显著影响.随着矢跨比和垂跨比的增大,结构的频率都有所减小;撑杆数从少到多变化时,结构的基频由小到大增加,但在高频率时随着撑杆数的增加结构频率反而降低;随着横索数的增加,结构的自振频率增大.不同预应力、整体倾角分布对结构的自振频率影响很弱.4)张弦梁结构属于对称结构,但结构的基本振型并没有严格的对称出现;由于张弦梁结构是一种形式复杂、刚度不均匀的结构,其前很多阶振型表现出的只是结构下弦索的局部振动,而结构的主振型极有可能出现在高阶振型,因此仅仅研究动力参数对基本频率的影响是远远不够的,还要深入探讨这些动力参数对结构频率分布的影响情况.5)在地震分析中,需根据上述自振特性的分析适当选择方法;张弦梁结构频谱相当密集,因而截断频率选择时须慎重;在地震波输入方面根据其自振特性应该考虑多维输入.参考文献:[1] 刘锡良,白正仙.张弦梁结构的有限元分析[J].空间结构,1998,4(4):15-21.[2] 刘开国.大跨度张弦梁式结构的分析[J].空间结构,2001,7(2):39-53.[3] NIU D,RU J.The eigh th international on sy mposium on struc-ture engineering for young experts[C].Beijing:Science Press,2004:843-849.[4] 白正仙.张弦梁结构的理论分析与试验研究[D].天津:天津大学,1999.[5] 陈 波.几何非线性对空间网架结构自振特性的影响[J].甘肃工业大学学报,1995,21(1):64-68.[6] 李 杰,李国强.地震工程学导论[M].北京:地震出版社,1994.[7] 谭建国.使用ANS YS进行有限元分析[M].北京:北京大学出版社,2002.[8] 李桂青.抗震结构计算理论和方法[M].北京:地震出版社,1985.[9] 蓝 天,张毅刚.大跨度屋盖结构抗震设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.[10] 齐永胜,周 泓,苏 康.用APDL语言解决张弦梁结构找形问题的方法[J].山西建筑,2004,30(3):20-21.[11] 张志宏,董石麟.索杆梁混合单元体系的初始预应力分布确定问题[J].空间结构,2003,9(3):13-18.108 兰州理工大学学报 第32卷。
张弦梁结构动力特性分析
１ ａ ０ ｍＰ 。模 型按 一 端 固定 一 端 水 平 滑 动 及 两 端 固定 铰 支 两 种 支
为 １ 从 图 １ 图 ２可 以看出 ， ０ｍ， ， 结构的 自振频率受撑杆根数变化
的影 响不 大， 只是随撑杆根数 的变化稍 有上 下波 动， 因此 ， 在考虑
改善 张弦梁结构的抗风振性能和抗震性能 时， 通过改变撑杆根数 并不能够达到 目的 ； 另一方面在建筑 师根据建筑需求设置撑杆 时
１ 张弦梁 结构 的计 算模型
３６ｍ（ ， 矢跨 比 Ｆ Ｌ＝０ ０ ）截面采用规格为 ０ ｑ１ ０ ｑ１ ／ ，５ ， ７０ｎｉ ｙ ×４ ０ｎ ｉ ｙ×
设计算模 型 的跨 度 Ｌ＝７ 上 弦采 用 圆弧拱 ， ２ ｍ， 矢高 Ｆ＝ 并不需要考虑对结构振动性 能的影响 。
１ Ｉ×１ Ｉ ２ｉ ｎ ６ｉ ｎ的工字钢 ； ｎ ｎ 下弦钢索 也按 圆弧形 布置 ， 向下 圆弧 矢高也取 ３６ｍ（ 跨比 Ｄ／ ， 矢 Ｌ＝０ ０ ）钢索截面面积 １ ０ ，５ ， ０舢１ ， ３ １ ２
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８ ・ ２
第３ ４卷 第 ｌ ０期 ２０ ０ ８年 ４ 月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨ Ｉ ＴＥＣｒＵＲＩ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ． ０ Ｉ３ １ Ａｐ ． ２ ０８ ｒ ０
文章 编 号 ：０ ９６２ （０ ８ １ ．０ ２０ １０ ．８５ ２ ０ ）００ ８ ．２
作用类似于两铰拱 ， 除竖向反力外 ， 还产生水 平推力作用。显然 ，
辐射式张弦梁结构的地震响应及参数分析
辐射式张弦梁结构的地震响应及参数分析李晓飞;刘丽霞;薛晓峰;王秀丽【摘要】The radiant beam string structure(RBSS)is a new type of space structure systems. Taking RBSS as our object,and adopting time history analysis to study seismic response,we have got different parameters,such as the rise-span ratio,the sag-span ratio,the prestress of string,and the number of struts. Their influences on seismic responses of the radiant beam string structure are studied.%辐射式张弦梁结构是一种受力性能优良的新型空间结构体系,运用时程分析法对结构进行地震响应分析,并对不同参数如矢跨比、垂跨比、预拉力值、撑杆数进行了分析,得出各参数对辐射式张弦梁结构在地震作用下的影响,其结果为辐射式张弦梁结构的设计、研究和应用提供了一定的参考和借鉴.【期刊名称】《甘肃科学学报》【年(卷),期】2011(023)002【总页数】5页(P103-107)【关键词】辐射式张弦梁结构;地震响应;时程分析;ANSYS【作者】李晓飞;刘丽霞;薛晓峰;王秀丽【作者单位】甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070;甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070;兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050【正文语种】中文【中图分类】TU311.3;TU435辐射式张弦梁结构是一种新型空间结构形式，它是由中央按辐射式放置拱、拱下设置撑杆、撑杆同环向索和斜索相连接，这种结构具有受力合理、力流直接、整体刚度大、施工简单的特点[1－8].为了认识辐射式张弦梁结构的动力特性，我们计算了水平地震和竖向地震作用下结构的地震响应以及不同参数的模型在三向地震作用下的响应，总结出了该结构的地震响应规律.采用跨度为96m的辐射式张弦梁结构空间计算模型如图1所示，拱采用了平面桁架，拱和拉索轴线的形状均采用二次抛物线的形式.平面桁架的各个杆件和撑杆均采用空间梁单元BEAM188、索采用索单元LINK10来描述，所有的支座为固定铰支座.以下为选取的参数：矢跨比为0.04、0.06、0.10，拉索的预拉力值为800kN、1 000kN、1 200kN，垂跨比为0.04、0.09、0.13，撑杆数为7根、11根、15根，构件截面尺寸见表1.辐射式张弦梁结构在支座处按铰接处理，对下部结构不产生水平推力仅产生竖向力，而且对大跨度结构竖向地震作用更加明显，因此工程中通常单独考虑上部结构.采用时程分析法对结构进行地震响应分析，需要输入地震波的波形主要按场地类别选用，适当考虑附近场地类别及结构基本周期的影响.当所选择的实际地震记录的加速度峰值与建筑地区设防烈度所对应的加速度峰值不一致时，可将实际地震记录的加速度按比例放大或缩小来加以修正[5].采用小震时的峰值加速度作为地震输入以使结构处于弹性阶段工作、当要对结构作罕遇地震下的弹塑性分析时则需输入大震时峰值加速度进行计算.这里仅考虑弹性工作阶段，兰州地区为8°抗震设防、设计基本加速度为200cm／s2，弹性时程分析时取多遇地震作用下的地震加速度时程曲线最大值70cm／s2[2].选取的地震波为 EI-Centro波，时间间隔0.02s，持续时间取10s，地震波加速度峰值按以下公式调整：为调整后的地震加速度曲线及峰值；a（t）、Amax为原记录的地震加速度曲线及峰值.分析可知，辐射式张弦梁结构的水平地震响应大于竖向地震响应，结果见表2.如上弦杆最大水平地震内力为976kN，而最大竖向地震内力为690kN.上弦杆和下弦杆的水平与竖向地震内力对比见图2.可以认为水平地震对辐射式张弦梁结构设计起控制作用.（1）矢跨比的影响结构的跨中竖向位移随着矢跨比的增大竖直正向位移减小，见图3.由图3可以看出索应力随着矢跨比的增加而有所减小，但减小幅度不大.矢跨比对结构响应峰值的影响见表3，随着矢跨比的增大，跨中位移峰值减小，索应力略微增大.这些说明矢跨比对该结构的地震响应有一定的影响.随着矢跨比的增大，位移有效的减小，可是用钢量也相应的增大，不利的平面外荷载（风载）也增大，无用的空间也增大，这些要求矢跨比不宜过高.所以，对于辐射式张弦梁结构，应根据设计要求合理的选择结构的矢跨比.（2）斜索预拉力的影响对张弦梁结构来说，索预拉力的大小对结构起着重要的作用.由于张弦梁结构是典型的刚柔结合杂交体系，一般都要对索施加一定的预拉力，其作用是使结构预先产生一定的反拱值，从而减少结构在使用荷载作用下的挠度.从图4可以看出，在地震作用下施加的预拉力越大，结构地震响应越大.从表4可以看出，结构的响应峰值也随着预拉力的增大而增大.随着预拉力的增加，拱的轴向压力也在不断增加，用钢量也在不断的增加.所以设计时索内预拉力的大小满足结构的反拱要求即可.（3）垂跨比的影响结构跨中位移响应随着垂跨比的增大有减小的趋势、索应力响应随着垂跨比的增大而减小，见图5.跨中位移响应峰值在增大、索应力峰值在减小，见表5.所以说通过增大垂跨比来改善结构的受力性能从结构受力角度是有益的.但垂跨比太大会出现撑杆屈曲，以及平面外稳定的问题.不过就用钢量来说，由于拱的用钢量占总用钢量的比例大，所以随着垂跨比的增大，索和撑杆对总用钢量来说影响不明显.因此，对于辐射式张弦梁结构，应根据设计要求合理的选择其垂跨比.（4）撑杆数的影响结构跨中位移随着撑杆数的增加有增加的趋势，但并不稳定.索应力从7根增加到11根时明显减小，但从11根增加到15根时索应力时而增大时而减小，呈现出不稳定的趋势，见图6.跨中位移响应峰值和索应力响应峰值从7根撑杆增加到11根撑杆时明显增加，而撑杆从11根增加到15根时在减小，见表6.这些说明撑杆相当于对拱提供弹性支撑，改善拱的受力性能，但撑杆数超过11根后，受力的改善不再明显，所以对辐射式张弦梁结构可以根据建筑要求确定撑杆的数目和位置.（5）不同地震波的影响在此设置辐射式张弦梁结构的计算模型为跨度96m、矢跨比为0.06、垂跨比为0.04、预应力为1 000kN，考察结构在同一布置下输入不同波时的地震响应，结果如图7所示.从分析结果可以看出结构在多遇地震作用下在不同地震波输入下，其响应差异并不是很大，在ELCentro波作用下结构的跨中节点响应峰值为24.9mm、兰州波26.8mm、Taft波为24.8mm.（1）对于辐射式张弦梁结构，水平地震响应比竖向地震响应大，因此可以认为水平地震对辐射式张弦梁结构设计起控制作用.（2）辐射式张弦梁结构的上弦杆最大动力反应一般发生在1／4跨附近和3／4跨附近，顶点并不是动力反应的最剧烈处，而下弦杆最大动应力则发生在支座附近. （3）矢跨比和垂跨比对结构的地震响应有一定的影响，随着矢跨比和垂跨比的增大，跨中竖向位移、索应力减小，因此设计时要慎重选择.（4）对于辐射式张弦梁结构，索内的预拉力大小对结构的地震响应很大，施加的预拉力越大，结构的地震响应越大，所以，索预拉力的大小满足结构的反拱要求即可.（5）对于辐射式张弦梁结构来说，撑杆数对结构影响不大，根据计算分析，96m 的结构建议选用11根撑杆.【相关文献】[1]刘锡良，白正仙.张弦梁结构的有限元分析[J].空间结构，1998，4（4）：15-21.[2]王秀丽，高月梅，高森.大跨度双向张弦梁地震响应分析[J].甘肃科学学报，2007.19（3）：123-126.[3]丁南生，张弦梁结构动力反应分析及抗震性能研究[D].兰州：兰州理工大学，2005.[4]曹资，薛素铎.空间结构抗震理论与设计[M].北京：科学出版社，2005.[5]建筑抗震设计规范.GB50011-2001[S].[6]刘永周.张弦立体桁架结构力学性能分析[D].兰州：兰州理工大学，2004.[7]王秀丽，丁南生，崔继付.张弦梁结构的自振特性分析[J].兰州理工大学学报，2006，32（4）：105-108.[8]王秀丽，刘永周.矢跨比和垂跨比对张弦立体桁架性能的影响分析[J].空间结构，2005，11（1）：35-39.。
论述张弦梁结构特点
论述张弦梁结构特点1.张弦梁的结构特征张弦梁结构的整体刚度贡献来自两个方面，抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体，其是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构。
它具有以下特征：1.1承载能力高。
张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。
1.2使用荷载作用下的结构变形小。
张弦梁结构中的刚性构件与索形成整体刚度后，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多。
1.3自平衡功能。
当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。
索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，比较容易设计与制作。
1.4结构稳定性强。
张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。
同时，若适当调整索、撑杆和刚性构件的相对位置，可保证张弦梁结构整体稳定性。
1.5建筑造型适应性强。
张弦梁结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择，而结构的受力特性不会受到影响。
1.6制作、运输、施工方便。
与网壳、网架等空间结构相比，张弦梁结构的构件和节点的种类、数量大大减少，这将极大地方便该类结构的制作、运输和施工。
此外，通过控制钢索的张拉力还可以消除部分施工误差，提高施工质量。
2.张弦梁结构的施工2.1张弦梁结构中索内预拉力的施加方法2.1.1花篮螺丝调节法是通过调节索在两个固定点间的长度来施加预拉力，一般用于施加较小预拉力的张弦梁结构。
2.1.2张拉钢索法是通过锚具和千斤顶直接张拉钢索以施加预拉力，一般有两端张拉和一端张拉两种方法。
两端张拉可以使预拉力沿索长的分布相对均匀，适用于跨度较大的结构。
2.1.3支承卸除法是利用结构自重或附加在结构上的配重来施加预拉力。
在结构安装后卸除支承，由于刚性结构的变形，将部分结构自重和配重传递给撑杆，通过撑杆对索施加拉力。
辐射式张弦梁结构自振特性和地震响应分析
辐射式张弦梁结构自振特性和地震响应分析
王秀丽;李晓飞;薛晓峰
【期刊名称】《空间结构》
【年(卷),期】2010()1
【摘要】辐射式张弦梁结构是一种新型空间结构形式,具有结构受力合理、整体刚度大、造型美观、施工简单等优点.以该结构为研究对象,应用有限元方法对结构的频率和振型进行分析,运用时程分析法计算结构在地震作用下的地震响应,针对不同参数如矢跨比、垂跨比、撑杆数、斜索预应力值及不同地震波进行参数分析,得出了各参数对辐射式张弦梁结构地震响应的影响.计算结果表明,随着矢跨比和垂跨比的增大,辐射式张弦梁结构跨中竖向位移减小;而撑杆数目、索内预应力对结构影响不大.此外这种结构由于跨度大,因此对地震作用较为敏感.
【总页数】6页(P24-28)
【关键词】辐射式张弦梁结构;自振特性分析;地震响应;时程分析;ANSYS
【作者】王秀丽;李晓飞;薛晓峰
【作者单位】兰州理工大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU393.3
【相关文献】
1.大跨度张弦桁架结构自振特性和地震响应分析 [J], 石启印;蔡永刚;李爱群
2.辐射式张弦桁架结构的自振特性分析 [J], 朱彦鹏;穆宇亮;谭坚贞
3.考虑风与结构耦合作用的张弦梁结构风振响应分析 [J], 王秀丽;常文兵
4.辐射式张弦梁结构的地震响应及参数分析 [J], 李晓飞;刘丽霞;薛晓峰;王秀丽
5.张弦网壳结构的自振特性及地震响应分析 [J], 孔丹丹;张海霞;赵欣
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张弦梁结构的探讨
张弦梁结构的探讨下面是本店铺给大家带来关于张弦梁结构的相关内容，以供参考。
0引言张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。
张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。
张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景。
本文就张弦梁结构的分类，受力机理，张弦梁结构的找形分析，用有限元分析总结了撑杆数目、垂跨比、高跨比、拱的惯性矩、弦的预应力等对张弦梁结构的受力性能的影响，以及结构的稳定性分析。
1、张弦梁结构的受力机理和分类1.1、张弦梁结构的受力机理目前，普遍认为张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。
一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。
由此可见，张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。
所以，张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的桁架或拱而使体系的刚度和稳定性大为加强。
并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。
如果在施工过程中适当的分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少的最小限度。
1.2、张弦梁结构的分类张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。
平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。
平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构，。
双层弦张弦梁结构的动力特性及动力响应研究的开题报告
双层弦张弦梁结构的动力特性及动力响应研究的开题报告
题目：双层弦张弦梁结构的动力特性及动力响应研究
研究背景和意义：
弦张弦梁结构是一种常见的桥梁结构，在桥梁工程领域得到广泛应用。
双层弦张弦梁结构是对传统弦张弦梁结构的一种改进，可以更好地适应大跨径桥梁的需要，同时具有较好的结构稳定性和动力特性。
随着桥梁结构的不断发展和人们对桥梁安全性的要求不断提高，对双层弦张弦梁结构的动力特性和动力响应等方面进行研究，具有重要的现实意义和理论价值。
研究内容和方法：
本研究将以双层弦张弦梁结构为研究对象，通过建立数学模型、进行理论分析和数值计算，探究其动力特性和动力响应规律，具体研究内容包括但不限于以下方面：
1. 建立双层弦张弦梁结构的动力学模型，分析其动力特性；
2. 分析双层弦张弦梁结构在自然振动下的模态频率和模态形状；
3. 研究双层弦张弦梁结构在外部荷载作用下的动力响应规律，包括加速度、振幅等；
4. 探究外部荷载对双层弦张弦梁结构的破坏机理和影响规律。
研究计划和进程：
1. 文献调研与分析（已完成）；
2. 建立数学模型（进行中）；
3. 完成理论分析；
4. 进行数值计算；
5. 分析计算结果；
6. 撰写研究报告。
预期研究成果：
1. 深入理解双层弦张弦梁结构的动力特性和动力响应规律；
2. 揭示外部荷载对双层弦张弦梁结构的影响机理和破坏规律；
3. 为双层弦张弦梁结构的设计和施工提供科学依据和理论支持；
4. 在学术上具有一定的创新性和实用性，可为相关领域的研究提供参考和借鉴。
张弦梁结构的力学性能与稳定性分析研究
张弦梁结构的力学性能与稳定性分析研究1. 引言张弦梁是一种常见的结构形式，广泛应用于桥梁、塔楼等工程中。
本文旨在对张弦梁结构的力学性能与稳定性进行分析研究，以进一步了解该结构的强度与稳定性特征，并为工程实践提供科学依据。
2. 张弦梁结构的基本原理和构造张弦梁结构由主梁、张弦和斜拉索组成。
主梁是承载荷载的主要组成部分，张弦与主梁相连，通过斜拉索提供附加支撑。
这种结构形式可以达到较大跨度和高度比的设计要求。
3. 张弦梁结构的力学性能分析3.1 荷载分析张弦梁结构在使用过程中面临各种外部荷载，包括静载、动载、地震荷载等。
首先，需要对梁的受力情况进行分析，确定梁的内力分布。
可以通过静力学方法，应用受力平衡原理和材料力学原理，计算各部位的应力和变形。
3.2 强度分析对张弦梁结构的强度进行分析是确保结构安全可靠的关键。
根据材料强度、截面形状和外部荷载等因素，应用弹性力学理论，计算结构的极限强度和工作强度，并与设计要求进行对比。
3.3 稳定性分析张弦梁结构在受到外力作用时可能发生稳定性问题，如侧向位移、局部失稳等。
通过建立数学模型和应用结构力学理论，分析结构的稳定性特征，计算关键部位的屈曲承载力和临界荷载。
可以采用能量法、强度准则和稳定性分析方法，评估结构的稳定性。
4. 参数化分析与优化设计在上述力学性能和稳定性分析基础上，可以进行参数化分析和优化设计。
通过改变结构参数，如梁的高度、张弦的刚度和斜拉索的角度等，评估和改善结构的性能。
可以通过数值模拟和优化算法，寻找结构的最优设计方案。
5. 现实工程应用和实例分析本文还可以通过案例分析，介绍张弦梁结构在实际工程中的应用。
根据不同的工程要求和地理环境条件，讨论结构的选型、设计和施工问题，并结合实际情况对结构的力学性能和稳定性进行评估。
6. 结论通过对张弦梁结构的力学性能与稳定性的研究分析，可以更全面地了解该结构的特点和行为规律。
在工程实践中，应对该结构进行合理的设计，满足力学性能和稳定性要求。
张弦梁结构在地震工程中的性能研究及加固技术
张弦梁结构在地震工程中的性能研究及加固技术引言：地震是一种常见的自然灾害，对建筑物的破坏性很大。
为了增加建筑物在地震中的抗震性能，工程师们一直在探索各种加固技术和结构类型。
本文将重点研究张弦梁结构在地震工程中的性能研究以及加固技术。
1. 张弦梁结构的原理和特点：张弦梁结构是一种由多个张拉钢索和梁体组成的支撑系统。
它的特点是具有较高的刚度和抗震性能，并且在地震荷载下具有良好的延性。
张弦梁结构通过张拉钢索来增加结构的刚度和强度，同时还能够有效地吸收地震能量。
这种结构的抗震性能较好，因为它能够减小地震荷载对结构的影响，从而减小破坏的可能性。
2. 张弦梁结构的性能研究：为了研究张弦梁结构在地震中的性能，许多研究人员进行了大量的实验和数值模拟。
这些研究主要关注以下几个方面：2.1 结构的刚度和强度：通过实验和数值模拟，研究人员发现张弦梁结构具有较高的刚度和强度。
在地震中，它能够承受较大的地震力，从而减小结构的位移和变形。
2.2 结构的延性：张弦梁结构的延性是指结构在地震中能够产生较大的变形而不会失去稳定性。
通过试验和数值模拟研究，可以得出张弦梁结构具有较好的延性，能够有效地吸收地震能量，减小地震荷载对结构造成的破坏。
2.3 结构的动力响应：研究人员通过地震振动台试验等方法，分析了张弦梁结构在地震中的动力响应。
实验结果表明，结构的位移响应和加速度响应较小，说明结构能够有效地减小地震荷载对结构的影响。
3. 张弦梁结构的加固技术：为了进一步提高张弦梁结构的抗震性能，研究人员开展了多种加固技术的研究。
以下是一些常见的加固技术：3.1 钢索张拉加固：通过增加钢索的张拉力来增加结构的刚度和强度，从而提高结构的抗震性能。
此外，钢索还能够增加结构的延性，并提供额外的耗能能力。
3.2 线性摩擦阻尼器加固：利用摩擦力提供阻尼作用，可以减小结构的位移响应。
这种加固技术能够显著提高结构的抗震性能，并减小地震荷载对结构的影响。
3.3 钢筋混凝土加固：通过在梁体中增加钢筋和混凝土来增加结构的刚度和强度，提高结构的抗震性能。
张弦钢结构
图5 可分解空间张弦结构
图
弦支穹顶结构 弦支筒壳由上部的筒壳结构、 下部的预应力拉索和中间的撑杆组 成，撑杆上端与筒壳节点连接，下 端通过撑杆下节点与拉索相连，拉 索的两端通过锚固节点与筒壳的节 点相连，一般将锚固节点设置在筒 壳的支座位置处。
图 广西柳州奇石博物馆 奇石博物馆屋盖造型奇特，130 m 长，56 m 宽，屋盖采用了柱 面网壳的结构形式，在局部采用 了弦支筒壳结构。
2张弦结构的分类
2.1平面张弦结构 平面张弦结构由上部刚性构件和下部柔性拉索通过撑杆相连而形成的且具有平面 受力特性的结构形式即为平面张弦结构，此类结构受力以平面内受弯为主。按照 上部刚性构件的种类将平面张弦结构分为张弦梁、张弦桁架和弦支刚架结构，如 图 1 所示。
近年来张弦梁结构不仅广泛应用于建筑结构中，在农、林业方面也得到 了应用。图 2为一种大型农业喷灌设备，其主体结构采用张弦梁形式以 实现较大的跨度。其中单跨张弦梁跨体长度为 40 ～60 m，由上弦钢管 ( 主管道) 、角钢和拉筋组成，角钢呈人字形布置，在人字形角钢下部设 置两道长拉筋，对上部主管起到弹性支承。
张弦结构的特点及应用
1、张弦结构介绍： 张弦梁结构由上弦梁与下弦索通过竖向撑杆组成，其力 学性能优异、结构效率高，在屋盖结构尤其是楼盖结构中有 较好的应用前景。张弦结构按照其受力本质可分为平面、可 分解型空间和不可分解型空间张弦结构。首先，分别对平面 张弦结构中的张弦梁、张弦桁架，可分解型空间张弦结构和 不可分解型空间张弦结构中的弦支穹顶、弦支筒壳、弦支网 架、弦支混凝土屋盖、弦支拱壳、弦支网壳等结构类型进行 介绍。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间 连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平 衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构 体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、 受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势， 并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景。
双向张弦梁受力分析
轴力分析图
• 上弦 下弦
• 索
迭代曲线
索力图
动力分析
• • • • 1、模态分析 2、谐响应分析 3、瞬态分析 4、谱分析
模态分析
• 模态分析研究内容：
– 自然频率 – 振型 – 振型参与系数
• 定义 模态是结构的固有振动特性，每一个模态具 有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。
模态分析的作用
模态分析数据
谐响应分析
• 定义： • 谐响应是分析结构在承受一个或多个同频率的 正弦（简谐）载荷作用下，确定系统稳态响应 的一种技术。 • 作用： • 确保一个给定的结构能经受住不同频率的各种 正弦载荷（例如以不同速度运行的发动机）； • 探测共振响应，并在必要时避免其发生（例如： 借助于阻尼器来避免共振）。
模型建立
• 广州国际会议中心单支张弦梁模拟
静力分析
• (1)材料处于弹性状态，即符合胡克定律。 • (2)索为完全柔性，只承受轴向拉力，铰接 与梁的锚固点上。 • (3)将索离散为索段，每个索段按直线处理。 • (4)索段之间节点按铰节点处理，每节点有 三个自由度。 • (5)索与梁相交点不能滑动。 • (6)荷载作用在节点上。
(−ω [M ] + iω[C] + [K ])({u1}+ i{u 2 }) = ({F1}+ i{F2 })
2
• 右端点水平方向位移频率变化曲线
各临界频率和相角
变性曲线
谱分析
• 定义 • 它是模态分析的扩展，用于计算结构对地震及 其它随机激励的响应 主题包括： • 频谱：用来描述理想化系统对激励响应的曲线 此响应可以是加速度、速度、位移和力 • 响应谱如何用于计算结构对激励的响应： − 参与系数 − 模态系数 − 模态组合
张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述
张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用，张弦梁结构是由撑杆、弦、和抗弯受压构件构成，是把预应力施加在弦上来改善抗弯受压构件的受力性能，形成一种自产自销的自平衡体系，因而受力合理、施工制造简单、运输方便，因而在应用前景上十分喜人。
本文简要介绍了张弦梁结构的多个方面的的特征，回顾了以局部分析法为主的张弦梁结构分析设计方法。
关键词：张弦梁结构；结构分类；受力机理；局部分析法1 引言张弦梁结构是由日本大学M.Saitoh先生最早提出来的，可以说是一种新的混合屋盖体系。
张弦梁结构顾名思义，最初是由“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式而得名。
张弦梁结构一般都是由撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，其具有明确的受力，简单的结构体系等特点，并且制造运输施工较为简便，因而应用前景一片光明。
我国在张弦梁的研究及应用还处于初级阶段中，本文简单介绍了张弦梁的特点及分类，并对目前较为流行的设计方法进行了简单的概括。
2 张弦梁结构的特点2.1 张弦梁结构的分类张弦梁结构可分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构，这是由它的受力不同决定的。
平面张弦梁结构顾名思义，其结构构件位于同一平面，并且其受力以平面内为主。
平面张弦梁结构以上弦的形状不同又可分为：人字型、直线型、拱形张弦梁结构。
空间张弦梁结构是由平面张弦梁结构组成，主要分为：单向张弦梁、辐射式张弦梁、双向张弦梁、多向张弦梁。
2.2 张弦梁结构的受力机理通常认为，由于张弦梁结构的下弦拉锁中施加了预应力，因而上弦压弯构件产生反向的挠度，导致结构的总挠度减小，并且上弦的压弯构件由于撑杆对其提供了弹性的支撑，结构的受力性能大大改善了。
如果忽略拉锁超张拉于结构中产生的预应力，那么它的受力特点实际上是和简支梁一样（图1）。
从结构的内力来看，和简支梁一样，张弦梁结构也承受整体弯矩和剪力。
竖向荷载下，张弦梁的整体弯矩和下弦构件的压力以及下弦拉锁形成的等效力矩相平衡。
张弦梁结构的研究
张弦梁结构的研究张弦梁结构由于其自身承载能力高,结构变形小,为自平衡结构,稳定性好及建筑造型灵活等优点,在国内外的大跨度结构设计中得到广泛的应用。
就张弦梁结构的国内代表工程,形式与分类,结构性能与受力特性及找形分析进行概要阐述。
标签：张弦梁结构;结构性能;受力分析;找形1 张弦梁结构在我国的代表工程从20世纪90年代后期张弦梁结构在我国工程上首次应用于上海浦东国际机场航站楼的建设到2008年奥运会国家体育馆(双向张弦空间网格屋面结构)的建成,经历了30多年的发展。
迄今为止,主要的代表工程有三个,均采用平面张弦梁结构。
1.1 上海浦东国际机场航站楼该结构工程由主楼,高架进厅和登记长廊三部分四跨组成大跨度钢屋盖结构支撑现浇混凝土多层框架结构。
主楼和高架进厅为连续三跨,屋架跨度由东向西分别为48米,80米和42米。
纵向长度为411.6米,下弦为高强度钢索的梭子形钢屋架高低搁置,低端支撑在混凝土框架大梁上,高端通过托架支撑在呈倾斜状态的钢柱上。
登机长廊跨度52米,屋架间距9米,主楼钢柱间设支撑索,长梁跨内设索群。
1.2 广州国际会展中心的屋盖结构2002年建成,该屋盖张弦梁结构的一个重要特点是其上弦采用倒三角断面的钢管立体桁架。
跨度为126.6米,纵向间距为15米,下弦拉索采用高强度低松弛冷拔镀锌钢丝。
1.3 黑龙江国际会议展览体育中心主馆屋盖结构该建筑中部由相同的35榀128米跨的预应力张弦桁架覆盖,桁架间间距为15米。
该工程张弦梁结构与广州国际会展中心的区别是拉索固定在桁架固定在桁架上弦节点,而没有固定在下弦支座处。
张弦梁的低端支座支撑在钢筋混凝土剪力墙上,高端支座下为人字形摇摆柱。
下线拉索采用冷拉镀锌钢丝。
2 张弦梁的形式与分类张弦梁主要分为平面张弦梁结构与空间张弦梁结构。
前者是指结构位于同一平面内,且以平面受力为主的结构。
该结构又可分为直梁型张弦梁,拱形张弦梁和人字形张弦梁。
直线型张弦梁是通过拉索和撑杆提供弹性支撑,从而减小上弦构件的弯矩。
张弦梁的结构特点及有关研究
张弦梁 结 构 中的刚 性构 件 与 索形 成整 体 刚度后 ，这 一空 间 受 力结 构 的 刚度就 远远 大 于单纯 刚
（） 性 构件 的刚 度 ，在 同样 的使用 荷 不 宜超 过 ３个 ；２ 撑 杆 数 目具体
载作 用 下 ，张弦梁 结 构 的变形 比 单纯 刚性构 件小 得 多。
张 弦梁结 构根 据其 传力 及
受 力机 理 大致 可 分 为平 面张 弦 梁
空 间张 弦 梁结 构是 以平 面 张
弦梁结构为基本组成单元 ，通过
不 同形 式 的空 间 布置 索形 成 以空 间 受力 为 主 的张 弦梁 结 构 ，主 要
辐 射式 张 弦梁 结 构 ，由 中央 按 辐 射 状 放 置 张 弦梁 （ ）梁 下 拱 ，
力 ，使相互连接的构件成为具有 力 可 以与 拱 推力 相抵 消 ，一 方 面
整 体 刚度 。由于综 合 应 用 了刚 性 充 分 发 挥 了上 弦拱 的 受力 优 势 ，
构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉 同时也 充 分利 用 了拉 索 抗拉 强 度
强 度 高 的优 点 ，张 弦梁 结构 可 以 做 到 结构 自重 相 对较 轻 ，体 系 的 刚度 和 形 状 稳 定 性 相 对 较 大 ， 因
３３ 自平 衡 功 能 ．
多少 应 由结 构稳 定 和具体 构造 要 求 确 定 ；３ 对 于单 榀 张 弦桁 架 ， （）
自平衡体系” 张弦梁结构 由三类 直线 ，通过拉索和撑杆提供 弹性 外 稳 定 ，同时通 过 对纵 向支 承索 。 从而减小上弦构件 的弯矩 ， 进行张拉 ，为平面张弦梁提供支 基本构件组成 ，刚度较大的抗弯 支承 ，
构件 （ 又称 刚性 构 件 ， 常 为 梁 、 通 拱 或 桁架 ） 高强 度 的弦 （ 和 又称 柔 主要 适用 于 楼板 结构 和 小坡 度 屋 承 ，因此 此类 张 弦 梁结 构 属 于空 面结 构 ；拱形 张 弦梁 除 了拉 索 和 间受 力体 系 ，主要 适用 于 矩形 平
张弦梁结构的荷载特性与分析方法
张弦梁结构的荷载特性与分析方法一、张弦梁结构的荷载特性1. 张弦梁的基本特点张弦梁是一种采用张拉杆件和悬挂点连接的结构形式，具有高刚度、轻质化和较大跨度的特点。
由于张弦梁的杆件采用张拉设计，使得梁体内部受力均匀，使整个结构具有很好的均衡性和稳定性。
2. 荷载引起的变形张弦梁在荷载作用下会发生变形，主要包括纵向变形和横向变形。
纵向变形是指梁体产生的长度方向上的变形，而横向变形则是指梁体在荷载作用下产生的弯曲变形。
荷载引起的变形是分析和设计张弦梁时必须考虑的重要因素。
3. 荷载特性张弦梁的荷载特性与荷载类型和作用方式有关。
常见的荷载类型包括静态荷载、动态荷载、集中荷载和分布荷载等。
静态荷载是指稳定作用在梁体上的荷载，动态荷载则是指具有一定频率和振幅的变化荷载。
集中荷载是指作用在梁体上的一个或一组集中力或力矩，而分布荷载则是在梁体上均匀分布的荷载。
二、张弦梁结构的分析方法1. 解析分析方法解析分析方法是根据张弦梁梁体的几何特征、弹性力学理论和力学平衡原理，通过数学分析和计算得出梁体在荷载作用下的变形和内力分布情况。
解析分析方法适用于简单的张弦梁结构，如直梁和等截面梁等。
2. 数值分析方法数值分析方法是利用数学模型和计算机软件对复杂的张弦梁结构进行力学分析。
常用的数值分析方法包括有限元法和有限差分法等。
有限元法是在连续介质力学基础上建立数学模型，将结构离散化为多个小单元，并计算每个小单元的位移和受力情况，通过求解整个结构的位移场和应力场得到结构的响应。
有限差分法则是将结构离散化为网格，通过差分方程的代数方程来求解结构的位移和受力。
3. 实验分析方法实验分析方法是通过实验手段对张弦梁结构的荷载特性进行研究。
常见的实验方法包括静力试验和动态试验等。
静力试验是在已知载荷下测量梁体的变形和应力，用于验证和修正理论分析结果。
动态试验则是在梁体受到动态荷载作用下进行测量，用于研究梁体的振动特性和破坏机制。
4. 结构优化方法结构优化方法是通过改变梁体的几何形状、材料选择、加工工艺和连接方式等，以满足特定的设计要求和荷载要求。
多向张弦梁结构的动力特性与响应分析
多向张弦梁结构的动力特性与响应分析多向张弦梁结构是一种常用的结构形式，具有很好的强度和刚度，广泛应用于桥梁、建筑物和机械装置等工程领域。
在实际工程中，了解多向张弦梁结构的动力特性和响应分析是非常重要的，可以帮助工程师进行结构设计和优化，确保结构的安全可靠性。
本文将对多向张弦梁结构的动力特性和响应分析进行详细的介绍和探讨。
首先，我们来了解一下多向张弦梁结构的动力特性。
多向张弦梁结构的动力特性包括共振频率、模态形态和振型。
共振频率是结构的固有频率，是结构在受到外力作用时最容易产生共振现象的频率。
在设计过程中，需要保证结构的共振频率不与外部激励频率相近，以免引起共振破坏。
模态形态描述了结构在不同频率下的振动特性，可以通过模态分析来获取。
振型是指结构在特定模态下的振动形态，可以通过振型分析来获得，有助于理解结构的振动特性和节点位移分布。
为了进行多向张弦梁结构的响应分析，我们需要先建立结构的数学模型。
一般来说，可以采用有限元法来建模和分析多向张弦梁结构。
有限元法将结构划分为许多小单元，每个单元由节点和单元刚度矩阵组成。
通过求解结构的运动方程，可以得到结构的响应结果。
在进行动力特性和响应分析之前，必须明确结构的边界条件和外部加载情况。
结构的边界条件包括支座约束和边界固定条件。
外部加载可以是静态荷载、动态荷载或随机荷载，根据实际情况选择合适的加载方式。
在动力荷载的情况下，可以采用模型振动台或地震波进行加载。
在动力特性分析中，可以通过模态分析来获取结构的共振频率、模态形态和振型。
模态分析是一种线性动力分析方法，通过求解结构的广义特征值问题，得到结构的固有频率和振型。
模态分析可以帮助工程师了解结构的振动特性，指导结构的设计和优化。
对于多向张弦梁结构来说，由于结构具有多个自由度，需要考虑横向和纵向的振动特性。
因此，在进行模态分析时，需要通过增加自由度来考虑多个振动模态。
在响应分析中，可以通过求解结构的运动方程，得到结构在给定荷载条件下的响应结果。
张弦梁结构动力特性分析_田向阳
张弦梁结构动力特性分析收稿日期:2007-11-28作者简介:田向阳(1978-),男,硕士,助理工程师,广州市市政工程设计研究院,广东广州 510060田向阳摘 要:采用由梁单元、杆单元和索单元组成的混合有限元法对简支和两端固定铰支张弦梁结构进行了动力特性分析,探讨了撑杆数目、预应力值和矢跨比等结构参数对两类张弦梁结构动力特性的影响,并就各种情况进行了比较,得出了一些有用的结论。
关键词:张弦梁结构,模态分析,特征值问题,振型中图分类号:T U 323.3文献标识码:A张弦梁结构是在传统拱结构的拱体下设置预应力拉索,并在拱与拉索之间布置一定数量的撑杆而得到的一种杂交结构。
张弦梁与下部结构的连接多设计成一端固定铰支、另一端滑动铰支,此时对下部结构来说,上部结构的作用与简支梁相同,仅承受竖向反力。
当下部支承结构抗侧移刚度较大时,张弦梁与下部结构的连接也可两端均做成固定铰接,此时上部结构对下部结构的作用类似于两铰拱,除竖向反力外,还产生水平推力作用。
显然,这两种不同的支承条件所产生的影响不仅限于支承反力的变化,还将涉及张弦梁自身的受力性能。
文中对具体的张弦梁算例,在两种支承条件下分别进行了动力特性分析,运用有限元软件A N -SYS 对两类张弦梁结构的自振振型和频率进行了计算分析,分析了撑杆数目、预应力值和矢跨比等结构参数对两类张弦梁结构动力特性的影响,并就各种情况进行了比较,最后得出了一些有用的结论。
1 张弦梁结构的计算模型设计算模型的跨度L =72m,上弦采用圆弧拱,矢高F =3.6m(矢跨比F/L =0.05),截面采用规格为700mm @400mm @12mm @16mm 的工字钢;下弦钢索也按圆弧形布置,向下圆弧矢高也取3.6m(矢跨比D /L =0.05),钢索截面面积1300mm 2,弹性模量1.8@105M Pa,撑杆截面面积2200mm 2。
钢拱及撑杆均按理想弹塑性材料考虑,屈服强度345M Pa,弹性模量2.06@105M Pa 。
张弦巨型网格结构动力特性研究
张弦巨型网格结构动力特性研究
贺拥军;孙轩;周绪红
【期刊名称】《防灾减灾工程学报》
【年(卷),期】2016(36)5
【摘要】针对由张弦梁概念和巨型网格结构组合而成的一种新型超大跨空间结构,通过模态分析研究结构的动力特性,首先将主体结构单独承载和子结构协同承载两种情况下张弦巨型网格结构的前12阶自振周期及相应振型进行比较,然后对结构首阶各向振型的出现次序及相应自振周期进行了主体结构矢跨比、桁架梁高度、撑杆长度、预应力大小等一系列参数分析并与未布索结构作对比,详细研究了结构各方向刚度随不同参数改变时的变化情况。
结果表明,主体结构单独承载时结构的纵向刚度最弱,子结构的引入能够极大地增强结构水平纵向刚度;预应力体系的引入可以显著提高结构的拱向及竖向刚度。
为保证预应力提高结构竖向刚度的效果,主体结构应取较大矢跨比,且桁架梁高度的取值不宜太大。
【总页数】8页(P737-743)
【作者】贺拥军;孙轩;周绪红
【作者单位】湖南大学土木工程学院;重庆大学土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU356
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辐射式张弦梁结构的地震响应及参数分析
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辐射式张弦梁结构动力特性初探摘要：根据工程实例，结合实际应用的节点和连接方式，进行三维有限元建模，采用sap2000瞬态时程动力分析模块，应用hiber-huges-taytor(hht)法方法对辐射式张弦梁结构的线性时程分析进行了初步研究，得到了ei-centro波激励下的顶点位移和结构水平剪力的时程曲线，进一步研究了hht法系数的取值不同对时程曲线的影响程度，研究结果表明在地震波的激励下结构的时程曲线性质基本相同，在激励时间内表现稳定，结构的抗震性能良好；结构x方向的位移和剪力建立大于y方向的位移和剪力；hht法中的系数对计算有一定的影响程度，在应用此法进行结构的时程分析时，要试算其影响程度，以消除对结果的影响，以满足工程设计的要求。
关键词：辐射式张弦梁，线性时程分析，动力特性，hht法中图分类号：k928.78abstract: according to the project, combined with the actual application nodes and connection mode,three-dimensional finite element model, the sap2000 transient dynamic analysis module, the application of hiber-huges-taytor ( hht ) method was studied for the analysis of linear structure of zhang xianliang radiation type, time history curves of displacement and structure of horizontalshear ei-centro waves excitation was obtained, the impact of further research on the value of different time history curves of hht coefficients, results show that the curve of properties and structure in seismic wave excitation is basically the same, was stable in the excitation time, the structural seismic performance is good; displacement and shear structure in x direction of displacement and the shear strength of y direction; coefficient of hht method in the calculation of the influence of some, in the application of the process structure, will try to eliminate its influence degree, influence on the results, in order to meet the requirement of engineering design.keywords: radiation zhang xianliang, linear time-history analysis, dynamic characteristics, hht method随着我国建筑技术的进步和不断发展，对空间结构尤其是大跨度空间结构的需求越来越多。
张弦梁结构作为一种新型的预应力钢结构形式，是一种新型大跨度空间结构体系，对现代建筑的影响尤为深远。
本文以龙口市会展中心x区辐射式张弦梁屋面结构为研究对象，对辐射式张弦梁结构的线性时程分析进行了初步研究，总结了这种结构形式的动力特性，对张弦梁结构的推广和应用具有重要的意义。
图1工程效果图工程概况工程2007年6月开工，现已投入使用。
效果图如图1，结构平面布置图如图2，建筑面积约517平方米，屋面围护结构为玻璃幕墙，张弦梁通过铰接点与下部主体混凝土结构连接。
结构由12榀张弦梁组成，自中央环梁向四周辐射式布置弧形拱梁，每榀之间的夹角30°。
单榀计算简图详图3，环向通过环梁连接。
单榀张弦梁跨度25.4米，上弦拱梁、环梁、撑杆均采用圆管截面，拱梁和拉索找形全部为二次抛物线的形式，矢跨比和垂跨比均为0.035。
钢材，钢丝索抗拉强度。
图 2辐射式张弦梁屋面钢结构布置图图 3 单榀结构图1.1 拱梁与下部结构的节点拱梁两端铰接于支座节点环梁上。
支座节点做法为利用十字交叉板与底部预埋件连接，分别简化为固定铰支座和滑动铰支座，如图4所示。
拉索一端为锚固端，一端为张拉端，如图5、6所示，两端均与环梁的支座节点异形板连接，图4.1 固定铰支座图4.2 滑动铰支座图5支座节点图图6.1 拉索固定端详图图6.2拉索张拉端详图1.2 撑杆节点撑杆一端铰接于环梁上，一端与拉索通过连接板连接，模型中此节点简化为铰接。
节点简图如图7。
图7拉索与撑杆连接节点2有限元建模2.1 基本假定为简化计算，在分析时采用了以下基本假定：1、将索和拱梁均离散为索段和梁段，每段按照直线处理；2、材料符合虎克定律；3、拱梁与索之间撑杆是连续的 ,即把拱梁与索之间的离散力简化为连续分布的作用力 ,并假定这些连续撑杆是刚性的 ,不考虑其轴向变形；4、曲梁的曲率半径与截面高度之比ｒ/ｈ≥5,符合小曲率构件假设；5、仅考虑小垂度和竖向荷载作用；6、索为完全柔性的，通过将索局部坐标系中的2，3轴抗弯和抗扭属性设置为0.01释放弯矩；7、撑杆两端释放。
8、拱梁与支座的连接为两端铰接。
2.2结构有限元模型的阻尼对结构进行时程分析时，结构的阻尼采用常用的质量和刚度比阻尼，即rayleigh（瑞利）阻尼：式中：，—为第,振型的圆频率；,—为第,振型的阻尼比。
对于一般情况，阻尼在这两个频率中被指定是相等的，即，这时，比例系数可由下式计算：由文献[54]式(2)（3）中可取1 ，可取2，即可得到质量矩阵和刚度矩阵系数。
通过模态分析得到频率，，将，代入公式（2）（3）得到瑞利阻尼，。
2.3 结构的分析工况对结构施加了自重荷载（dead），屋面恒荷载（sd）、屋面活荷载（lv），温度荷载（temp），则第一类分析工况为：自重荷载分析工况（dead），屋面恒荷载分析工况(sd）、屋面活荷载分析工况（lv），温度荷载分析工况（temp）。
拉索在施加预应力前刚度为零，结构处于不稳定状态，在施加预应力后，当索发生法线方向的变形时，通过拉索中的拉力的二阶效应形成结构的刚度，因此前三种分析工况的初始状态和刚度为温度荷载分析工况结束时的结构刚度，而温度荷载分析工况的初始条件为零初始条件。
根据分析的需要，在结构建模时定义了模态分析工况（modal），时程分析工况（time）。
时程分析工况对应的荷载与采用的地震波有关。
这样就可以得到结构分析工况树如图8所示：图8分析工况树2.4拉索预应力张弦梁结构中拉索是主要的受力构件之一，拉索预应力的作用主要用于改变体系中内力分布和大小，对辐射式张弦梁结构中施加预应力，可使结构产生与正常使用荷载作用下反向的位移和内力，改善上弦拱梁的受力状态，提高结构的整体刚度。
为了合理确定拉索预应力，首先对未施加预应力的结构进行静力分析，结构在使用阶段恒荷载取值为，活荷载为，考虑基本组合方式，结构承受的竖向均布荷载，经计算未施加预应力的水平位移为5.9mm，水平推力为21.9kn。
以减小甚至消除结构对下部混凝土柱的水平推力为原则，使支座节点在拉索预应力及屋面荷载的共同作用下水平的径向位移接近为零。
结构中使用的拉索规格为s5z-37，查文献[51]知拉索的破断荷载。
经过试算，当拉索初始预应力时，边界节点的水平径向位移6.0mm，水平推力为21.87kn，几乎与竖向均布荷载作用下的位移大小相等，方向相反。
3结构的线性时程分析3.1地震时程曲线的输入和结构阻尼工程所在地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，ⅱ类场地土，表1给出烟台市中心周围150公里范围内近20年的地震记录情况，从表中可以看出此地区震级都集中在3～4级，表1烟台地区近20年的地震历史（注：表格中数据来自合肥市地震局观测资料）结合工程场地情况，选用了ei-centro南北方向波（1940年）、根据《建筑抗震设计规范》表5.1.2-2得到三种波调整后的波形图见图9。
3.2 时程分析采用hht方法，系数取0，-0.1，-0.2，得到ei-centro波激励下的顶点位移和水平推力的时程曲线，结果如下：3.2.1et-centro波激励下顶点位移的时程分析图9调整后的ei-centro波形图图10给出了ei-centro波激励下结构的时程曲线：从图10a）、10b）看出，在ei-centro波的激励下ux和uy表现出大致相同的波形，在波形初始阶段受系数的影响不明显，在时间中段系数影响较为明显，越接近于0，位移绝对值越大，的影响不可以忽略。
图10a）ei-centro激励下顶点位移ux的时程曲线图10b）ei-centro激励下顶点位移uy的时程曲线3.2.2et-centro波激励下基底剪力的时程分析图11a）和11b）分别为在ei-centro波的激励下基底剪力的时程曲线，从图中可以看出剪力x和剪力y表现出大致相同的波形，在时间的初始阶段，系数的影响不明显，在时间中段系数影响较为明显，越接近于0，无论是剪力x还是剪力y，其绝对值都趋于增大，因此的影响不可以忽略。
图11a）ei-centro激励基底剪力x的时程曲线图11b）ei-centro激励基底剪力y的时程曲线4 结论1）在ei-centro波作用下的时程曲线除局部点发散外，表现出基本相同的性质。
从图中可以看出x方向的剪力和位移均大于y方向的剪力和位移。
系数的影响不可以忽略，随着越接近0，位移和剪力曲线波峰处的峰值越大。
2）在ei-centro波作用下顶点位移和基底剪力时程曲线，在激励时间内表现得比较稳定，没有大的突变。
3）在应用sap2000进行结构设计采用hht法时程分析时，对地震波波要试算的影响程度，以消除对结果的影响。