张弦梁结构的有限元分析
张弦梁找形与结构分析
张弦梁找形与结构分析摘要：本文在阅读了相关文献的基础之上，粗略的介绍了张弦梁的一些基本知识、找形方法和结构分析的一些成果。
关键字：张弦梁；找形；结构分析；张弦梁（Beam String structure,BSS），是一种大跨度空间结构体系，是由上部刚性构件（一般为梁、拱）、中间撑杆和下弦拉索中组成的一种自平衡体系。
其结构受力特点有：索受拉力，撑杆为受压二力杆、拱为压弯构件。
加之，预应力的引入，使得三者之间相互平衡，能够形成有有机的受力整体，使得结构材料的力学性能得到最大的发挥，有利于承载力的提高。
然而对于张弦梁而言，由于只有在张拉完毕之后，各组成部分才会形成受力整体，结构整体拥有较大的刚度，而在张拉过程之中，结构刚度较弱，随着预应力的加载，会有较大的变形。
这就导致了，张弦梁不能像一般的刚性结构一样施工放样，存在着找形问题。
Figure 1张弦梁结构示意图1找形分析1.1相关概念对于张弦梁找形问题，需要明确以下三种概念[2]：零状态几何：体系在无自重、无外荷载、无自内力的情况下的几何形态。
其仅对上部结构梁单元构件的下料长度有意义，对下弦索和竖向压杆建议采用应力下料。
初状态几何：体系在自重、屋面附加恒荷载、全部或一半屋面活载和自内力情况下的几何构形。
其力学意义在于考虑结构常态荷载，即重力荷载和预应力共同作用下，体系上部结构各构件的内力最小，全部或部分控制节点的竖向位移为0，即体系上部结构重力场作用下引起的变形和内力为最优。
荷载态几何：体系在各种作用组合工况下的几何构形。
目前较为一般的观点认为，应取初状态几何为计算参考构形且初状态几何等价于建筑设计几何。
三种几何状态的先后关系，一般为零状态下料施工到初状态几何，初状态结合进入使用阶段进入荷载态几。
而一般设计都从初状态几何切入，找到零状态几何，然后再由此上前。
1.2张弦梁形状确定问题确定下弦索的曲线形状和竖向杆的布置和数量是找形分析的重点。
文章[2]，采用局部分析法确定初状态几何下，全部竖杆的设计预内力的分布和水平，然后由下部索杆体系的拓扑几何关系推出矩阵H确定竖杆下节点的竖向坐标。
张弦梁结构的优势与劣势评述
张弦梁结构的优势与劣势评述张弦梁结构是一种常见的桥梁设计形式，由两个张弦和一个竖势梁组成。
本文将对张弦梁结构的优势与劣势进行评述。
首先，张弦梁结构具有以下优势：1. 强度高：张弦梁结构在桥梁设计中具有良好的强度特性。
弦杆负责承受桥梁荷载的大部分重量，而竖势梁则起到稳定结构的作用。
这种结构使得桥梁能够承受较大的荷载，具备出色的抗弯和抗挠能力。
2. 跨度大：张弦梁结构的设计使得其能够跨越较大的距离。
由于张弦梁结构的自重小，可以通过增加张弦梁的长度来进一步减少自重。
这样的设计使得张弦梁结构成为跨越河流、湖泊和峡谷等大型跨度的理想选择。
3. 施工方便：张弦梁结构具有较为简单的结构形式，使得施工过程较为方便。
通过设计合理的施工方案，可以在较短的时间内完成张弦梁桥梁的建设。
这种便利性有助于降低施工成本并提高施工效率。
然而，张弦梁结构也存在一些劣势：1. 维护困难：张弦梁结构相对于其他形式的桥梁结构更加复杂，需要进行定期的维护和检查。
弦杆和竖势梁的连接处容易受到腐蚀和损坏，这需要定期检查和更换。
因此，张弦梁结构的维护成本较高。
2. 荷载分布不均匀：由于张弦梁结构中只有两个张弦，荷载不均匀分布可能会导致桥梁的不稳定。
例如，在承受大风或地震等自然灾害时，荷载可能会过于集中在弦杆的某一端，造成桥梁损坏甚至倒塌。
3. 技术要求高：张弦梁结构需要精确的设计和施工工艺，并且对材料的性能要求较高。
如果设计或施工存在偏差，可能导致桥梁的结构强度和稳定性不满足要求，从而导致安全隐患。
综上所述，张弦梁结构具有强度高、跨度大和施工方便的优势，适用于跨越较大跨度的桥梁建设。
然而，维护困难、荷载分布不均匀和技术要求高是其存在的劣势。
因此，在进行张弦梁结构的设计和施工时，需要综合考虑这些因素，以确保桥梁的安全和可靠性。
多向张弦梁结构的设计原理与分析方法
多向张弦梁结构的设计原理与分析方法多向张弦梁结构是一种常用的结构形式，它由多个弦杆和横梁构成。
本文将介绍多向张弦梁结构的设计原理与分析方法，包括结构特点、力学性能分析及结构设计流程。
一、多向张弦梁结构的特点1.1 强度高：多向张弦梁结构采用了多个弦杆，能够有效分散荷载，并提高结构的抗压能力。
1.2 刚度大：多向张弦梁结构通过横梁将多个弦杆连接在一起，能够承受较大的外力而不产生明显的变形。
1.3 适应性强：多向张弦梁结构具有较好的适应性，可以应用于不同尺度、不同荷载和不同环境的工程项目。
二、多向张弦梁结构的力学性能分析2.1 强度分析：多向张弦梁结构在设计时需要进行强度分析，确定结构的承载能力是否满足设计要求。
强度分析包括确定梁的截面形状和尺寸，以及计算弦杆的承载能力。
2.2 刚度分析：多向张弦梁结构在施工过程中需要考虑刚度问题，以保证结构的稳定性和安全性。
刚度分析包括考虑结构的变形、应变和挠度等参数，以确定结构的刚度是否满足要求。
2.3 稳定性分析：多向张弦梁结构在受到外力作用时需要进行稳定性分析，以确定结构是否出现失稳或破坏。
稳定性分析包括考虑结构的屈曲和局部失稳等问题，以确定结构的安全性。
三、多向张弦梁结构的设计流程3.1 建立结构模型：根据实际工程要求，建立多向张弦梁结构的有限元模型。
结构模型应包括梁、弦杆、横梁以及节点等元素，并考虑边界条件和荷载情况。
3.2 分析结构荷载：根据实际工程要求，分析结构所受的荷载情况，包括静载、动载和温度载荷等。
荷载分析应考虑不同工况下的荷载组合，并进行相应的荷载调整。
3.3 进行力学性能分析：根据结构模型和荷载情况，进行结构的强度、刚度和稳定性分析。
力学性能分析应考虑结构各部件的材料性能、截面形状和几何结构等因素，以确定结构的合理性。
3.4 优化设计：根据力学性能分析的结果，对结构模型进行优化设计。
优化设计包括调整结构的材料使用、截面形状和几何结构等参数，以提高结构的性能和节约材料成本。
张弦梁结构在高层建筑中的稳定性分析与设计案例研究
张弦梁结构在高层建筑中的稳定性分析与设计案例研究1. 引言高层建筑的结构设计对于保证其稳定性和安全性至关重要。
张弦梁结构作为一种常用的结构形式，在高层建筑设计中具有广泛的应用。
本文将通过分析实际的设计案例，探讨张弦梁结构在高层建筑中的稳定性问题，并提出相应的设计方法和优化方案。
2. 张弦梁结构的特点张弦梁结构是由上、下弦杆和夹持杆组成的一种形式，具有以下特点：(1) 高度可调节：通过调整弦杆的长度，可以适应不同高度高层建筑的设计要求；(2) 节约材料：相比传统的框架结构，张弦梁结构能够更有效地利用材料，减少结构自重；(3) 施工便利：梁柱节点简单，便于施工和装配。
3. 张弦梁结构的稳定性分析(1) 稳定性问题：高层建筑的稳定性对于保证其安全运行至关重要。
张弦梁结构在受到竖向风荷载和自重荷载作用时，可能存在柱侧屈曲、梁侧屈曲等稳定性问题，需要进行详细的分析。
(2) 稳定性评估方法：通过有限元分析和结构优化方法，可以评估张弦梁结构在不同荷载情况下的稳定性。
其中，有限元分析可以模拟结构的受力行为，确定关键部位的应力和应变分布；结构优化方法可以优化结构的形状和尺寸，提高结构的稳定性。
(3) 稳定性设计准则：在高层建筑的设计中，应根据当地的设计规范，确定张弦梁结构的稳定性设计准则，包括屈曲承载力系数、屈曲长度系数等重要参数。
4. 张弦梁结构的设计案例研究(1) 案例概述：选取某高层住宅建筑为案例，通过有限元分析和结构优化方法，对其张弦梁结构的稳定性进行分析与设计。
结构的重点关注点包括竖向荷载下的柱侧屈曲和梁侧屈曲。
(2) 有限元分析：通过有限元软件建立结构模型，对结构进行静力分析和稳定性分析。
结构的受力行为、关键节点的应力和应变、杆件的失稳形态等信息可以在分析过程中得到。
(3) 结构优化：针对分析结果，通过结构优化方法对张弦梁结构进行优化设计。
可以采用遗传算法、粒子群算法等优化方法，优化结构的形状和尺寸，提高结构的稳定性和安全性。
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，。
张弦梁结构的静力分析方法与应用
张弦梁结构的静力分析方法与应用张弦梁结构是一种常见的工程结构，在建筑、桥梁、风力发电机等领域得到广泛应用。
静力分析是对结构力学行为的研究，通过对张弦梁结构进行静力分析，可以获得结构的应力、应变、位移等关键参数，从而评估结构的性能和安全性。
本文将介绍张弦梁结构的静力分析方法及其应用。
一、张弦梁结构的静力分析方法1. 张弦梁结构的基本原理张弦梁结构由上下两个弦和中间的横梁组成，上下弦之间通过横梁相互连接。
在静力分析中，可以将张弦梁结构化简为一个受力平衡的系统，通过力平衡方程求解结构的静平衡条件。
2. 张弦梁结构的受力分析在进行静力分析时，需要确定张弦梁结构受力的方式和受力点的位置。
通常采用的方法是将结构分解为若干个简化的单元，然后对每个单元进行受力分析，最后将各个单元的受力结果进行整合。
3. 张弦梁结构的计算模型为了进行静力分析，需要建立张弦梁结构的计算模型。
计算模型通常包括结构的几何形状、材料特性、约束条件等参数。
常用的计算方法有有限元法、刚度法和变分原理等。
其中，有限元法是一种广泛应用的计算模型，通过将结构离散化为有限个小元素来计算结构的变形和应力。
4. 张弦梁结构的边界条件在静力分析中，边界条件是非常重要的。
边界条件包括结构的支座约束和受力条件。
在实际工程中，根据结构的实际情况确定边界条件是进行准确分析的基础。
二、张弦梁结构静力分析的应用1. 结构设计优化静力分析可以帮助工程师评估张弦梁结构的性能，并进行设计优化。
通过改变结构的几何形状、材料特性等参数，可以优化结构的刚度、强度和稳定性等指标，实现结构的轻量化和节能减排。
2. 结构安全评估静力分析可以帮助评估张弦梁结构的安全性。
通过计算结构的应力和应变情况，可以判断结构是否满足设计要求，并及时采取相应的加固措施，确保结构的安全运行。
3. 施工过程控制静力分析可以用于张弦梁结构的施工过程控制。
通过对结构在不同施工阶段的受力情况进行分析，可以指导施工过程中的支撑和拆卸，保证结构的稳定性和安全性。
张弦梁结构的基本原理与设计要点分析
张弦梁结构的基本原理与设计要点分析张弦梁结构是一种常见的桥梁结构形式，具有较好的承载能力和刚性，被广泛应用于高速公路、铁路、城市桥梁等工程中。
本文将对张弦梁结构的基本原理进行分析，并探讨其设计要点，以便提供设计师和研究人员在相关工程中的指导和借鉴。
1. 张弦梁结构的基本原理张弦梁结构是由上下平行的主梁构成的，主梁上下各有一根或多根张弦，通过顶部的挖土或拱的形式将张弦与主梁相连接。
张弦部分处于受拉状态，能够承受外界荷载并传递到主梁上，主梁则处于受压状态，形成一个整体的结构。
张弦梁结构的优点是结构简单、材料利用率高、刚度大、施工方便等。
2. 设计要点（1）荷载分析：在设计张弦梁结构时，必须充分考虑各种荷载情况，包括静力荷载、动力荷载以及温度荷载等。
合理的荷载分析是设计安全可靠的关键。
（2）梁体设计：主梁的横截面设计直接影响到整个结构的受力性能，因此需要在设计中充分考虑梁体的刚度和强度。
根据梁体的跨度和荷载情况，选择合适的梁体材料和梁体形状，以保证梁体在工作状态下的稳定性和可靠性。
（3）张弦设计：张弦的设计要根据桥梁的跨度和荷载情况来确定。
首先需要确定张弦的数量和布置方式，然后通过计算确定张弦的截面形状和尺寸，以及张弦与主梁的连接方式。
在设计过程中，需要充分考虑材料强度、变形、疲劳等因素，以保证张弦在工作状态下的可靠性。
（4）支座设计：张弦梁结构的支座设计是关键，支座的选择和布置直接影响到桥梁的稳定性和可靠性。
合理的支座设计应考虑桥梁的载荷特点、地基条件和建筑物结构特点等因素，以保证桥梁在使用寿命内不产生不均匀沉降和不平衡力。
（5）施工工艺：张弦梁结构的施工工艺也是设计过程中需要考虑的因素之一。
在施工过程中，必须遵循施工工艺规范，确保施工质量和施工安全。
合理的施工工艺可以提高施工效率，减少施工成本，保证结构的可靠性。
3. 经典案例分析为了更好地理解张弦梁结构的基本原理和设计要点，我们可以参考一些经典的案例。
张弦梁结构简介
张弦梁结构简介张弦梁结构是一种工程结构形式，通常用于桥梁、天桥、体育场馆等建筑物中。
它采用张力元件和弯曲元件的组合，能够在跨度较大的情况下提供稳定的支持。
以下是对张弦梁结构的简要介绍。
1. 结构原理：张弦梁结构的基本原理是通过弦杆（通常为索或钢缆）来传递横向荷载，而通过梁体（通常为混凝土梁或钢梁）来承受纵向荷载。
这种结构形式使得梁体在受力时能够更加高效地工作，适用于大跨度的建筑项目。
2. 张弦元件：张弦梁结构中的张弦元件通常为预应力混凝土、钢缆或钢索。
这些元件受到预应力的影响，能够有效地承受张拉力，使整个结构更加坚固和稳定。
3. 梁体元件：梁体元件是张弦梁结构中的另一个重要组成部分，它承受纵向的荷载，通过梁体将荷载传递到支座上。
梁体可以采用混凝土、钢或其他合适的材料，以满足工程设计和荷载要求。
4. 适用范围：张弦梁结构适用于跨度大、荷载要求高的建筑项目。
常见的应用领域包括：•桥梁：张弦梁结构常用于建造大跨度的桥梁，例如悬索桥和斜拉桥，以实现更好的结构性能和通行能力。
•体育场馆：用于搭建体育场馆的屋顶结构，提供大空间、无遮挡的观赛体验。
•天桥和人行桥：在城市景观设计中，张弦梁结构常用于横跨道路或河流的天桥，以创造美观且具有设计感的空间。
5. 优势：5.1 大跨度：张弦梁结构能够实现大跨度的设计，使得建筑能够在不增加支点的情况下跨越更大的空间。
5.2 结构轻量化：张弦梁结构采用轻量化的张弦元件，减轻了整体结构的自重，提高了结构的经济性。
5.3 美观性：由于张弦梁结构的特殊设计，其外观通常具有艺术性和美观性，适用于对建筑外观有要求的项目。
6. 工程实例：6.1 金沙湾大桥：金沙湾大桥是一座位于澳门的悬索桥，采用了张弦梁结构，横跨了珠江口，成为当地的标志性建筑之一。
6.2 鸟巢体育馆：北京国家体育场，通称“鸟巢”，其屋顶结构采用了张弦梁结构，为2008年北京奥运会提供了独特的建筑标志。
7. 挑战与注意事项：7.1 设计难度：大跨度建筑的设计需要考虑更多的因素，包括地质条件、气象条件等，增加了设计的难度。
多向张弦梁结构的设计与分析方法探讨
多向张弦梁结构的设计与分析方法探讨张弦梁结构是一种常见的桥梁结构，具有较高的承载能力和抗震性能。
本文将对多向张弦梁结构的设计与分析方法进行探讨，包括梁面应力分析、梁体裂缝控制、桥面铺装设计等方面的内容。
一、梁面应力分析：多向张弦梁结构梁面应力分析是设计与分析过程中的关键环节。
可以采用有限元分析法或传统的静力学方法进行分析。
有限元分析法可以更加精确地计算梁体应力分布情况，包括轴力、弯矩、剪力等。
通过优化梁型剖面设计，可以实现梁体应力的最优分布，提高结构的承载性能和安全系数。
二、梁体裂缝控制：在多向张弦梁结构设计过程中，梁体裂缝是需要格外关注的问题。
梁体裂缝会影响结构的使用寿命和承载能力。
因此，需要采取一系列的措施来控制梁体裂缝，如预应力张拉、使用高性能混凝土、合理布置受力钢筋等。
1. 预应力张拉：通过预应力张拉技术，可以将梁体产生的裂缝限制在微小范围内，减小开口裂缝的宽度和长度。
预应力张拉要注意张拉力的选取和控制，确保梁体的受压区域得到足够的抑制。
2. 高性能混凝土：高性能混凝土具有较高的抗裂性能和耐久性，能够有效控制梁体的裂缝宽度和数量。
在混凝土配合比设计上，要选用合适的配料比例和添加剂，以提高混凝土的力学性能。
3. 钢筋布置：合理布置受力钢筋，可以增强梁体的抗弯性能和抗裂能力。
通过选用适当的钢筋直径、间距和布筋方式，可以使梁体在荷载作用下较好地工作，有效控制裂缝的生成和扩展。
三、桥面铺装设计：多向张弦梁结构的桥面铺装设计也是关键环节之一。
桥面铺装设计要考虑桥面的使用寿命、行车安全、舒适性等方面的要求，在材料选择、防水设计、施工工艺等方面进行合理设计。
1. 材料选择：桥面铺装材料应具有良好的耐久性和抗滑性能，能够承受车辆荷载和恶劣气候条件下的磨损和冲刷。
常见的选择包括沥青混凝土、聚合物混合材料等。
2. 防水设计：多向张弦梁结构的桥面需要进行防水设计，以防止水分渗透到梁体内部，导致梁体的损坏和腐蚀。
单向张弦梁结构的静力及动力性能分析
单向张弦梁结构的静力及动力性能分析摘要：本文采用ANSYS 有限元分析程序对单向张弦梁结构进行分析，系统的研究了撑杆数目、预应力、高跨比、垂跨比等参数对张弦梁结构位移及内力的影响，同时分析了各个参数对张弦梁结构自振特性等动力性能的影响。
关键字：张弦梁；静力及动力性能；有限元分析一、引言张弦梁结构（BBS）是将刚性构件（梁、拱活桁架）和柔性构件（预应力拉索）用撑杆连接起来的一种新型的大跨度预应力空间结构形式，具有体系简单、受力明确、充分发挥了刚柔两种材料的优势等优点，近些年来的应用越来越广泛。
本文着重进行了撑杆数目、预应力大小、高跨比、垂跨比等参数对张弦梁结构内力及位移的影响，同时分析了各个参数对张弦梁结构自振特性等动力性能的影响。
二、各个参数张弦梁结构静力性能的影响本文采用通用有限元分析软件ANSYS 对张弦梁结构进行分析，上弦梁采用beam44 单元模拟，下弦拉索采用只能受拉不能受压的link10 单元模拟，中间撑杆采用link8 单元，张弦梁的基本模型如图2-1 所示。
由于竖向撑杆对上弦梁起到弹性支撑作用，撑杆数量越多，使得结构上弦梁与预应力拉索之间的相互牵制增大。
从图2-2 中可以看出有无撑杆对张弦梁结构的竖向挠度影响巨大，张弦梁在没有撑杆的情况下刚度很小；随着撑杆数目的增加，张弦梁跨中竖向挠度变化很小，说明撑杆数目多到一定程度对结构挠度的影响比较小。
图2-3 和图2-4 说明增加撑杆数目能显著的降低撑杆轴力和上弦梁的弯矩，但当撑杆数目增加到一定程度后对上弦梁弯矩的影响减小。
图2-5 说明撑杆数量对梁拱轴向应力的影响不大。
综合起来，建议工程设计中撑杆数量不需设置太多，撑杆超出一定的数量对结构受力性能没有太大提高，反而会增加造价，造成浪费。
2.预应力大小的影响在张弦梁下弦拉索中施加初始预应力对结构有着很重要的影响，预应力拉索使撑杆产生向上的分力，从而可以降低上弦的内力，减小结构的变形，改善结构的受力性能，此外预应力的施加能够增加结构的整体稳定性。
张弦梁结构分析与设计方法综述
张弦梁结构分析与设计方法综述引言：张弦梁结构是一种应用广泛的结构组合形式，其以张力成员和弦作为重要组成部分，具有高强度、轻质、刚度高等特点，在桥梁、建筑、机械等领域得到了广泛应用。
本文将综述张弦梁结构的分析与设计方法，包括力学模型、静力学分析、稳定性计算、疲劳寿命估算以及优化设计等内容，旨在全面了解张弦梁结构的相关知识。
一、力学模型1. 直线张弦模型：直线张弦梁结构常用的简化模型，将梁中的张力布氏方程用一直线近似代替，便于力学计算。
2. 单薄壁梁模型：考虑材料屈服和应力分布的模型，通过壁厚设计并考虑弯矩和剪力的作用。
3. 弯曲张弦模型：在梁的轴向拉伸力作用下，受到弯曲力和剪切力的作用，通过使用弯矩和剪力的假设模型进行分析。
二、静力学分析1. 平衡方程法：根据平衡方程与边界条件建立方程组，通过求解方程组得到结构的受力情况。
2. 力法：采用合适的试验函数与外载荷模态进行叠加，通过力法求解出结构受力状态。
3. 有限元法：将结构离散成一系列简单的单元，通过有限元法计算单元间的相互作用，从而得到结构的受力分布和位移。
三、稳定性计算1. 欧拉稳定性方程：通过求解欧拉稳定性方程判断张弦梁结构的稳定性。
2. 极限荷载分析：通过模拟结构受到不同荷载作用下的反应，得出结构的极限承载能力。
3. 稳定性设计：在设计过程中对结构考虑适当的抗扭、抗剪刚度，以提高结构的稳定性。
四、疲劳寿命估算1. 疲劳分析：对结构的疲劳寿命进行分析，通过载荷频率和结构疲劳试验数据获得结构的疲劳寿命曲线。
2. 应力振幅法：通过在结构上施加不同幅值的周期应力，结合Wöhler曲线估算结构的疲劳寿命。
3. 应变能方法：通过计算应变能和弹性应变能准则，结合试验数据进行疲劳寿命评估。
五、优化设计1. 结构参数优化：通过改变结构截面尺寸、材料参数等来实现结构的优化设计，以满足一定的性能要求。
2. 拓扑优化：通过改变结构的连通性和形态来实现结构的优化设计，以实现最优的重量和刚度比例。
张弦梁结构的优缺点及发展趋势
张弦梁结构的优缺点及发展趋势张弦梁结构是一种常用的工程结构形式，具有许多优点和一些不足之处。
在本文中，我们将重点讨论张弦梁结构的优点、缺点以及其未来的发展趋势。
首先，张弦梁结构具有以下优点：1. 高强度：张弦梁结构采用了张紧钢索作为主要承载元素，因此具有很高的强度。
它可以承受大量的荷载，并且在长期使用过程中保持结构的稳定性和完整性。
2. 轻质化：张弦梁结构相对于其他结构形式，具有较低的自重。
这使得它在大跨度和超高层建筑等工程项目中具有重要的应用价值。
轻质化的特点还能减少基础工程的投资，并提高建筑物的整体经济效益。
3. 灵活性：张弦梁结构的设计灵活性较高。
它可以通过改变钢索的张紧程度和形状，来适应不同的荷载和施工要求。
这种灵活性使得张弦梁结构适用于各种复杂的建筑设计。
4. 节能环保：相比传统的混凝土结构，张弦梁结构的制造过程中所需的能源消耗更低。
此外，它所使用的钢材可以回收再利用，减少资源浪费。
因此，张弦梁结构对于减少能源消耗和环境污染具有积极的贡献。
尽管张弦梁结构具有许多优点，但也存在一些不足之处：1. 维护成本较高：张弦梁结构在施工过程中依赖复杂的张拉系统，这对结构的维护带来了额外的成本。
钢索的定期检测和维护需要专业的设备和技术，并且可能需要停工时间。
因此，维护成本较高是其一个缺点。
2. 张紧控制要求高：张弦梁结构的稳定性直接依赖于钢索的张紧程度。
因此，需要精确的张紧控制来确保结构的稳定性和安全性。
由于张紧过程的复杂性和关键性，对施工工人和技术人员的要求较高，一旦出现错误可能给结构带来重大影响。
3. 美观性受限：张弦梁结构的设计通常以功能性为主导，而美观性较少考虑。
在一些建筑项目中，为了满足建筑外观的一致性要求，可能需要更多的建筑外覆物和装饰，这会增加成本和施工难度。
在未来，张弦梁结构有以下几个发展趋势：1. 利用新材料：随着科技的进步，新材料的研发和应用将推动张弦梁结构的发展。
例如，高性能钢材和复合材料的应用将提高结构的强度和轻量化程度，同时降低维护成本和环境影响。
张弦梁结构的有限元分析_刘锡良
第4卷 第4期空 间 结 构1998年11月 张弦梁结构的有限元分析⒇刘锡良 白正仙(天津大学 天津300072)摘 要 本文介绍了新型大跨空间结构——张弦梁结构,并提出用线性及几何非线性混合单元有限元法分析张弦梁结构的方案,通过计算分析表明了本文方案的正确性及合理性,本文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。
关键词 张弦梁结构 混合单元有限元分析 线性分析 几何非线性分析一、引 言平面张弦梁结构(Beam String Structure,简记为BSS)是由拱梁、弦及撑杆组合而成的平面承力结构(图1)。
将其适当布置,可形成受力合理,施工、运输方便的膜屋面的支撑结构,即空间BSS(图2)。
张弦梁膜结构具有自重轻,透光性好,节省能源,降低使用费用并造型美观等优点,在日本已经广泛应用于跨度达到150米的大跨结构,并在下雪量大的地区也得以应用。
可是有关张弦梁结构的文献目前很少,文献[1]对张弦梁结构进行了理论及实验研究,但文献中只给出理论结果、实验过程及结果,而未涉及理论分析的具体内容;文献[2]则从有效控制弦的拉力的角度进行了讨论分析。
为将张弦梁这种受力性能良好的结构引入到我国,并改进采用,进行张弦梁结构的分析讨论是有意义的。
图1 平面BSS图2 空间BSS本文根据张弦梁结构的特点,提出用混合单元有限元法进行分析的方案,即提出将拱梁近似离散为若干直梁元,撑杆视为与拱梁刚接的梁元(或与拱梁铰接的杆元),连接杆和弦视为不⒇文稿收到日期:1997.12.22。
能受压的杆元的力学模式。
用通用有限元软件ALGO R92对文献[1]给出的实验模型进行了线性及几何非线性分析计算,将计算结果与文献[1]的结果进行了比较,证实了本文提出的力学模式的正确性及研究方法的合理性。
本文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。
二、定性分析拱式结构主要以拱轴向压力形式传递荷载,传力途径短而明确,是结构效率高的平面结构体系。
拱结构的一大缺点是对支座的外推力较大,对支座的锚固要求较高,并且,拱结构的支座外推力随着跨度的增大而增大。
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。
张弦梁结构预应力张拉的有限元模拟研究
ｉ ｔ ｅ ｅｔ ｔｏ Ｆ Ｍ ａｅｉ ｒ ｕｅ ｓ ａ ｅ． ｈ ｒｅｍｅ ｄ ｅ ｕｖ ｅ ｃ ｓ ｐｒｔ ｅ ｆ ｉ ｌｍ ｎ ｅｈｄ（Ｅ ） ｒ ｔ ｄ ｃｄｉ ｔｉ ｐ ｐｒ Ｔ ｅｆ ｃ ｔｏ ， ｑ ｉ ｌ ｔ ｅｒａｉｇｔｍ ｅａ ｒ ｎｅ ｅ ｍ ｎｏ ｎ ｈ ｏ ｈ ａｎｄ ｅ ｎ ｅ ｕ
江苏 建筑
２ １ 年 第 ３期 （ ０ １ 总第 １ １ ） ４ 期
张弦梁结构பைடு நூலகம்应力张拉的有限元模拟研究
黄 小 平 ， 蕴 玉 ： 姚
（江 苏 恒 鸿 建 设 咨 询 有 限 公 司 ， 苏 宜 兴 ２ ４ ０ ； 江 １２ ０ ２ 兴 市 建 工 建 筑 安 装 有 限责 任 公 司 ， 苏 宜 兴 ２ ４ ０ ） 宜 江 １２ ０
ｂｙ Ｆｉ ｉｅ Ｅｌｍ ｅ ｔＭ ｅ ｈ ｄ ｎｔ ｅ ｎ ｔｏ
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拱 或 桁 架１ 和高 强度 的 弦ｆ 称 柔 性 构 件 ． 常 为 索） 又 通 以及 连 接 两者 的撑杆 组 成 ， 过 对柔 性 构 件施 加 拉 力 ， 通 使 者 形 成 自平 衡 体 系 ． 为具 有 整 体刚 度 的 结构 ， 图 １ 成 如 。其 中 ， 索受 拉 ， 杆 为 受 压 二 力杆 ， 或拱 为 压 弯 构件 。它 发 挥 了 钢索 撑 梁 抗 托 强 度 高 和拱 形结 构 抗 压 弯性 能 好 的特 点 ．结 构 自重较 轻 ， 度 和形 状 稳 定性 相 对较 大 ， 有 受 力 合理 、 造 简 单 、 刚 具 构
张弦梁双索结构有限元分析及应用
张弦梁双索结构有限元分析及应用
张鹏;沈林凤;何伟
【期刊名称】《陕西建筑》
【年(卷),期】2015(000)004
【摘要】本文对张弦梁双索结构在预拉力状态、正常使用状态以及承载能力极限状态下张弦梁结构的强度和挠度进行了ANSYS有限元分析。
钢结构采用Beam188单元，拉索采用Link10单元，根据大挠度分析理论，给出了在最不利荷载组合下的分析结果。
【总页数】3页(P12-14)
【作者】张鹏;沈林凤;何伟
【作者单位】陕西省建筑科学研究院,陕西西安710082
【正文语种】中文
【中图分类】TU394
【相关文献】
1.谈张弦梁结构非线性有限元分析及预应力损失 [J], 丁彧;殷志祥
2.平面张弦梁结构整体分析及工程应用 [J], 张光桥
3.悬索结构在施工中的应用及有限元分析 [J], 王守国
4.浅析立体张弦梁结构中三维有限元软件应用 [J], 费洪刚;
5.基于扩展有限元的双锚受拉破坏形态分析及试验研究 [J], 孟宪宏;倪明阳;潘月因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
张弦梁结构的基本原理和应用领域概述
张弦梁结构的基本原理和应用领域概述张弦梁结构是一种常用的结构形式，广泛应用于桥梁、高层建筑、塔楼等领域。
它的基本原理是通过张力等力的作用，将悬臂梁的上下翼板连接成一体，形成一个具有高强度和刚性的整体结构。
张弦梁结构的应用领域主要包括桥梁工程和建筑工程。
在桥梁领域，张弦梁结构被广泛应用于大跨度桥梁的设计和施工。
相比传统的悬臂梁桥梁，张弦梁桥梁具有更高的强度和刚性，能够承受更大的荷载。
同时，张弦梁结构的施工方法也更加灵活和高效，能够减少对交通的影响和施工周期。
在跨江、跨海、跨峡谷等特殊地理条件下，张弦梁结构能够发挥其优势，实现大型桥梁的建设。
在建筑领域，张弦梁结构通常应用于高层建筑和塔楼的设计和施工。
由于张弦梁结构具有较高的刚性和强度，能够承受更大的水平和垂直荷载，因此适用于高层建筑，尤其是超高层建筑的设计。
与传统的钢筋混凝土结构相比，张弦梁结构能够减小结构的自重，提高了整体的稳定性和安全性。
在塔楼的设计中，张弦梁结构可以有效地支撑塔楼的高度和重量，以实现塔楼的结构稳定性。
在工程设计中，张弦梁结构的设计需要考虑多个因素，包括结构力学、材料选择和施工工艺等方面。
优化的设计能够提高结构的承载能力和使用寿命。
同时，合理的施工工艺和质量控制也是保证张弦梁结构质量的重要因素。
在实际应用中，需要根据具体的工程要求和环境条件来进行设计和施工，确保结构的安全和可靠性。
尽管张弦梁结构在桥梁和建筑领域中有广泛的应用，但并不意味着所有工程都适合采用这种结构形式。
在实际应用中，需要综合考虑多个因素，包括工程要求、材料成本、施工条件等，选择最适合的结构形式。
总之，张弦梁结构是一种常用且广泛应用的结构形式，特别适合于大跨度桥梁和高层建筑的设计和施工。
通过合理的设计和施工工艺，可以提高结构的强度和刚性，确保工程的安全可靠性。
在未来的工程设计中，张弦梁结构有望继续得到广泛的应用和发展。
张弦梁结构的优势与局限性分析
张弦梁结构的优势与局限性分析张弦梁结构是一种常见的结构形式，常用于桥梁、大跨度建筑等领域。
它由上张弦、下张弦和纵向桁架组成，具有一定的优势和局限性。
本文将对张弦梁结构的优势和局限性进行分析。
一、张弦梁结构的优势1. 抗弯性能优秀：张弦梁结构采用了张弦和纵向桁架的组合，使其具有优异的抗弯性能。
上张弦和下张弦承担梁的作用，纵向桁架则增加了梁的刚度和稳定性，使得结构能够承受较大的荷载。
2. 大跨度优势：张弦梁结构适用于大跨度的建筑和桥梁，可以实现跨度较大的设计。
其结构形式可以提供足够的支撑力和刚度，使得跨度更大，极大地提高了设计的灵活性和可塑性。
3. 施工便利：张弦梁结构采用了模块化设计，构件制作和安装比较简单。
梁体一般可在工厂预制，然后进行现场组装，减少了施工周期和风险。
4. 美观性强：张弦梁结构具有简洁明快的外观形式，线条流畅，造型美观。
其设计多样性可以满足不同场景的需求，使得建筑物具有艺术性和视觉冲击力。
二、张弦梁结构的局限性1. 构件制作要求高：张弦梁结构的构件制作需要较高的工艺技术和设备，尤其是大跨度的张弦梁结构。
该结构中的梁体和张弦需要满足一定的尺寸和形状要求，对制作工艺和材料的选择提出了较高的要求。
2. 非均匀荷载下的应力分布：张弦梁结构在承受非均匀荷载时，容易出现应力集中的问题。
由于纵向桁架的构造特点和梁体中上下张弦的抗弯性能差异，使得在非均匀加载情况下应力分布不均匀，可能影响结构的稳定性和安全性。
3. 维护成本较高：张弦梁结构具有较高的设计复杂性，施工完成后，维护成本也相应较高。
跨度较大的张弦梁结构需要定期检查和维修，以确保其稳定性和安全性，这也增加了后期的运营费用。
4. 空间利用率较低：由于张弦梁结构的特点和形式限制，其内部空间利用率相对较低。
梁体和张弦的布置可能占用一定的空间，限制了内部空间的有效利用，降低了建筑物的功能性。
综上所述，张弦梁结构具有抗弯性能优秀、大跨度优势、施工便利和美观性强等优点。
基于midas的张弦梁结构有限元分析
基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析摘要：本文结合某社区游泳馆屋盖的张弦直梁的选型进行了分析。
运用有限元软件MIDAS分别从张弦梁的高跨比以及撑杆个数与下弦预拉力的关系，分析自振模态与撑杆数目的关系，从而综合各个指标对梁结构进行了优化设计。
关键词：张弦梁，梁截面高度，撑杆数量，自振频率Abstract: In this paper, the selection of a straight beam-string in a community swimming pool has been studied using FEM software MIDAS. The height-span ratio and the relationship between pole number and the pre-tension as well asself-vibration modes is research based on FEM method. Based on the result, the design of the structure is optimized.Key words: string beam, beam section height, pole number, self-vibration frequency中图分类号：TB482.2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）1 引言某社区游泳馆的跨度为20.8m，原方案的屋盖为H型钢梁为主承重构件，次梁也为H型钢，屋面板为压型钢板为衬板的组合屋面板。
由于跨度和空间的局限，原方案采用了较为传统的屋架梁作为主承重构件，为满足结构的应力和挠度要求，选择截面高度为1.6m。
相对来说占据了较大的游泳馆的使用净空，而且从观感来说整个结构会欠缺轻盈。
为此，本文提出一种较为新型的梁形式，张弦梁结构。
张弦梁结构在风电塔中的应用及效果评估
张弦梁结构在风电塔中的应用及效果评估1. 引言风能是一种清洁且可再生的能源，风力发电正在全球范围内得到广泛发展和应用。
风电塔是风力发电系统中的重要组成部分，其结构的安全性和稳定性对风电系统的可靠性和效率有着重要影响。
本文将重点研究张弦梁结构在风电塔中的应用，并进行效果评估，以评估其在提高风电塔结构的安全性和稳定性方面的潜力。
2. 张弦梁结构的基本原理张弦梁结构是一种由多根张紧的斜拉索或钢缆与主梁相连接的结构形式。
其主要特点是具有较高的刚度和强度，能够有效地抵抗风力和地震等外部荷载的作用。
在风电塔中应用张弦梁结构可以提高整个塔身结构的承载能力和抗风性能，减少振动对风力发电设备的干扰。
3. 张弦梁结构在风电塔中的应用张弦梁结构在风电塔中的应用主要体现在以下几个方面：3.1 塔身设计优化张弦梁结构可以优化风电塔的塔身设计，使其更加轻巧、坚固和稳定。
通过合理的结构布局和斜拉索的应用，可以减少材料的使用量，降低整体重量，提高塔身的刚度和稳定性。
3.2 提高风向偏转能力张弦梁结构能够有效地提高风电塔的风向偏转能力。
斜拉索的张力作用下，塔身可以在风力的作用下实现一定程度的弯曲和扭转，减少风力对塔身的冲击力，并使其能够更好地应对强风天气。
3.3 减小振动影响张弦梁结构的应用可以有效地减小风电塔的振动影响。
通过斜拉索的拉力调节和结构的优化设计，可以减少塔身的共振频率和振动幅度，降低对风力发电设备的震动传递，延长设备的使用寿命。
4. 张弦梁结构在风电塔中的效果评估为了评估张弦梁结构在风电塔中的效果，可以从以下几个方面进行评估：4.1 结构安全性评估通过结构分析和计算，评估张弦梁结构在不同外部荷载下的安全性能。
采用有限元分析等方法，模拟塔身在风力和地震荷载作用下的应力和位移，并与传统结构进行比较，评估张弦梁结构在安全性方面的优势。
4.2 抗风性能评估使用风洞实验或数值模拟方法，评估张弦梁结构在不同风速下的抗风性能。
通过测量风洞试验中塔身的位移和应力，或者通过数值模拟计算，了解张弦梁结构在强风环境中的变形和应力分布情况，评估其抗风能力。
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第4卷 第4期空 间 结 构1998年11月 张弦梁结构的有限元分析a刘锡良 白正仙(天津大学 天津300072)摘 要 本文介绍了新型大跨空间结构——张弦梁结构,并提出用线性及几何非线性混合单元有限元法分析张弦梁结构的方案,通过计算分析表明了本文方案的正确性及合理性,本文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。
关键词 张弦梁结构 混合单元有限元分析 线性分析 几何非线性分析一、引 言平面张弦梁结构(Beam String Structure,简记为BSS)是由拱梁、弦及撑杆组合而成的平面承力结构(图1)。
将其适当布置,可形成受力合理,施工、运输方便的膜屋面的支撑结构,即空间BSS(图2)。
张弦梁膜结构具有自重轻,透光性好,节省能源,降低使用费用并造型美观等优点,在日本已经广泛应用于跨度达到150米的大跨结构,并在下雪量大的地区也得以应用。
可是有关张弦梁结构的文献目前很少,文献[1]对张弦梁结构进行了理论及实验研究,但文献中只给出理论结果、实验过程及结果,而未涉及理论分析的具体内容;文献[2]则从有效控制弦的拉力的角度进行了讨论分析。
为将张弦梁这种受力性能良好的结构引入到我国,并改进采用,进行张弦梁结构的分析讨论是有意义的。
图1 平面BSS图2 空间BSS本文根据张弦梁结构的特点,提出用混合单元有限元法进行分析的方案,即提出将拱梁近似离散为若干直梁元,撑杆视为与拱梁刚接的梁元(或与拱梁铰接的杆元),连接杆和弦视为不a文稿收到日期:1997.12.22。
能受压的杆元的力学模式。
用通用有限元软件ALGOR92对文献[1]给出的实验模型进行了线性及几何非线性分析计算,将计算结果与文献[1]的结果进行了比较,证实了本文提出的力学模式的正确性及研究方法的合理性。
本文的工作为张弦梁结构的实际应用提供参考。
二、定性分析拱式结构主要以拱轴向压力形式传递荷载,传力途径短而明确,是结构效率高的平面结构体系。
拱结构的一大缺点是对支座的外推力较大,对支座的锚固要求较高,并且,拱结构的支座外推力随着跨度的增大而增大。
当拱式体系用于大跨结构时,支座处理的困难也随之加大。
BSS则通过在张弦梁两端张拉弦的办法,使弦负担拱产生的外推力。
并且通过撑杆对弦施加预应力以使拱梁产生与使用荷载作用时相反的位移,从而部分抵消外载的作用,所以BSS是充分发挥拱型及索材优势的有效结构。
三、计算分析1.程序的验证本文拟用通用有限元程序ALGOR92,进行BSS的结构分析。
为证实通用程序在线性分析及考虑预应力的几何非线性分析时的有效性,先用其计算了文献[3]中的算例。
算例是网格数为9×9的预应力正放四角锥网架的计算模型。
计算中将网架杆件、下撑杆及预应力构件均视为杆元。
文献[3]分初始加载阶段、预应力阶段和继续加载阶段等三个阶段作了计算。
在前两阶段不考虑预应力构件的刚度;在继续加载阶段考虑了预应力构件的刚度。
初始阶段的节点荷载为0.5kN(包括自重),继续加载阶段为1kN。
预应力值取为8kN。
本文先用线性分析方法计算了节点荷载为1kN的没有预应力构件的网架的反应;接着用几何非线性分析方法计算了考虑预应力构件的网架的反应,即分两个增量步:第一步荷载取到0.0001kN,以便计算预应力的效应,第二步取到1kN。
收敛精度取0.001。
第一步迭代二次收敛,而第二步迭代一次就收敛了。
本文采用的支座条件是两相临边为铰支座,另两相临边为滑动支座;弹性模量是2.06×105N/mm2。
图3(d)～(e)给出了上弦节点挠度图,图中的虚线和实线分别表示考虑和不考虑预应力的结果,圆形标记和三角形标记分别表示文献[3]和本文的结果。
图3(a)～(c)只给出了与文献[3]内力分布图相应的本文的结果。
表1给出内力对比情况。
从图3(a)～(e)及表1可见,本文计算结果与文献[3]中的值稍有差别,这可能与支座条件,计算参数如弹性模量等取得不一致及计算步骤不一致等等有一定的关系,但本文结果仍然很好地反映了施加预应力后结构刚度提高,内力分布改善,挠度减小的规律,并且本文结果与文献[3]结果差异之小,足以满足分析精度。
由以上的分析计算及文献[4]可证实ALGOR92软件表1 预应力网架与普通网架内力对比表预应力网架普通网架文献[3]本文文献[3]本文最大拉力(kN)16.1313.6821.6317.45最大压力(kN)-12.51-13.64-10.75-15.64在进行杆系结构的线性分析及考虑预应力的几何非线性分析时的适用性。
2.算例条件为方便比较,采用与文献[1]一致的单位及相同的算例。
分两种模型,模型一为平面BSS,尺寸见图4a;模型二为空间BSS,是将两榀平面BSS平行布置而成,尺寸见图4b。
材料情况见表2。
表2 BSS材料情况拱梁撑杆索连接杆尺寸60.5×3.221.7×2.87×7(Á8)RB-Á6面积A(cm2) 5.76 1.660.310.2826惯性矩I(cm4)23.70.7586—0.0063x(cm4)23.70.7586—0.0063惯性矩Iy弯曲模量Z(cm3)7.840.699—0.0211弹性模量E(kg/cm2) 2.1×106 2.1×106 1.6×106 2.1×106 将每一段拱梁等分为三个直梁元,即拱梁共离散为十二个直梁元,每一段弦及连接杆视为杆元,撑杆视为梁元或杆元。
拱梁端约束情况为D x D y D z R x R z和D y D z R x R z,连接杆端视为固接,即D x D y D z R x R x R z。
将文献[1]中的面均布荷载转化为拱梁元结点集中荷载,面载10kg/m2相当于9.6kg的拱梁节点集中荷载。
3.线性分析用ALGOR92中的不同类型单元组合的有限元计算方法,对模型一、模型二分别作了线性分析。
对空间BSS分两种工况作了分析,即A、B弦所在的拱梁均受力和仅A弦所在的拱梁受力,这相当于文献[1]中的全跨均布荷载和部分均布荷载的情况。
通过计算发现,撑杆视为杆元时弦的张力比视为梁元时的稍微大,因实际结构撑杆与拱梁的连接刚度是处于刚接与铰接之间,故本文只给出偏于保守的视为杆元的情况,结果见图5、图6。
图中符号意义见表3。
由图5及图6可知,本文的计算结果与文献[1]的理论及实验结果符合较好,但无论对模型一,还是模型二,本文的弦的拉力均小于文献[1]的值,这说明本文提出的力学模式假设的强度稍大于实际结构。
图3 网架算例内力挠度图图4 模型尺寸表3 图5、6中符号意义4.几何非线性分析空间BSS,必须在连接杆施加足够的预应力,防止其松弛,保证其对拱梁的侧向支撑作用,否则由于拱梁侧向刚度小,会很快失稳,丧失承载能力,所以连接杆的预应力对结构性能的影响是显而易见的。
线性分析没有考虑构件预应力对内力分布的影响,所以本文采用考虑预应力影响的几何非线性有限元法做了进一步的研究,目的是为讨论只用线性方法分析BSS是否可以满足设计要求。
上面的线性分析,是以在连接杆和弦施加预应力后,所达到的预应力平衡状态(即图4给出的尺寸)作为参考构型进行的;而做几何非线性分析时,则将其假设为是初始无预应力的状态。
因为在预应力作用下,变形是微小的,故这种假设是合理的。
几何非线性分析采用了U L描述法。
首先,在连接杆中施加预应力,计算只有预应力时的结构反应。
文献[1]未给出连接杆的预应力,故本文用试算法,求得在33.6kg/m2的使用荷载作用下,保证连接杆不松弛所需的预应力作为连接杆计算初始预应力,取200kg,在收敛精度为0.0001时,仅迭代两次就收敛了。
计算得出,在预应力作用下,变形最大处节点的位移是2.7mm,仅是跨度的0.5%,这就是说,预应力作用下,张弦梁结构的变形是微小的,所以本文将初始无预应力态的构型与预应力平衡态构型作为同一构型考虑是合理的。
接着,进行在预应力及拱梁节点集中力作用下的混合单元几何非线性有限元分析,分五个增量步,第一增量荷载取0.001kg,以便求出只在连接杆施加预应力后,弦中产生的内力;其它增量荷载取10kg。
在收敛精度为0.001时,第一步迭代两次就收敛,其它步一次迭代就收敛了。
最后,将各步产生的弦的拉力减去第一步的弦的拉力,就是弦在拱梁节点集中力作用下的内力反应。
对连接杆预应力取不同的值,进行计算,发现弦内力值是确定的,不随预应力而变化。
并且连接杆内力及节点位移也具有这种规律性,即几何非线性分析的预应力和梁节点集中荷载共同作用下的反应减去仅预应力作用下的反应与相应线性分析结果一致。
本文几何非线性分析结果与线性分析结果见图7、图8。
图7 均匀分布荷载与弦的拉力的关系图8 部分均匀分布荷载与弦的拉力的关系由图7、图8看出,本文的线性和非线性分析的弦内力反应差别很小,所以计算小模型的弦的内力反应时,用线性分析足以满足要求。
5.位移分析文献[1]未提及变形问题,本文在此给出平面BSS和空间BSS两种工况下进行线性及非线性分析时,a,b,c三个节点的位移情况,见表4。
由表4可看出,平面BSS侧向刚度很低,故空间BSS中,连接杆的作用是举足轻重的,而在连接杆中施加足够的预应力后,整体空间BSS的刚度是较大的。
由于分析的是小型的计算模型,加之施加的荷载不是很大,故各节点位移小,似乎结构具有良好的变形刚度,但关于刚度与构件尺寸、材料强度及预应力等等的关系还需要进一步的探讨。
表4 节点的位移情况荷载(kg/m2)节点a(mm)节点b(mm)节点c(mm)D x D y D z D x D y D z D x D y D z平面BSS100.39-637.7-1.020.40-264.5-0.970.7800空间BSS线性工况一200.52-0.40-1.160.5-0.32-1.34 1.0400空间BSS线性工况二200.18-0.21-0.460.17-0.17-0.460.3500空间BSS 非线性工况一预应力0.81-0.87-2.460.86-0.51-2.04 1.6200 20+预应力 1.36-1.30-3.70 1.38-0.83-3.40 2.7200 200.55-0.43-1.240.52-0.32-1.36 1.1000空间BSS 非线性工况二预应力0.81-0.87-2.460.86-0.51-2.04 1.6200 20+预应力0.99-1.10-2.95 1.04-0.68-2.52 1.9800 200.18-0.23-0.490.18-0.17-0.480.3600四、结 语由本文的分析可以得出以下结论:(1)张弦梁结构是发挥了钢索材料高抗拉性及拱型结构良好抗压性的新型空间结构体系,结构受力合理,构件数少,运输及施工方便。