一维张弦梁结构的稳定分析

第13卷第3期2007年9月

空　间　结　构

SPA T I AL STRU CTU R ES

V o l .13N o .3

Sep.2007

收稿日期:2006206207.

作者简介:姜正荣(1971—),男,江苏盐城人,讲师,博士研究生,主要从事大跨度空间结构研究Λ

一维张弦梁结构的稳定分析

姜正荣,王仕统

(华南理工大学土木工程系,广东广州510640)

摘　要:张弦梁结构由拱、撑杆和拉索组合而成,近年来在大跨度工程中得到了日益广泛的应用Λ其结构特点是索受拉、撑杆为受压二力杆、拱为压弯构件Λ本文结合已建实际工程,对一维张弦梁结构的拱和撑杆的稳定性能进行定性分析,并对风吸力作用下的稳定问题进行探讨,可供工程设计者参考Λ关键词:张弦梁结构;杂交结构;稳定分析;风吸力作用

中图分类号:TU 394 文献标识码:A 文章编号:100626578(2007)0320026203

Stability analysis of plane beam str i ng structure

J I AN G Zheng 2rong ,W AN G Sh i 2tong

(C iv il E ng ineering D ep art m ent ,S ou th Ch ina U niversity of T echnology ,Guang z hou 510640,Ch ina )

Abstract :B eam string structu re ,com po sed of arches ,stru ts and cab les ,has been w idely u sed in large 2span structu res recen tly ,in w h ich cab les are sub jected to ax ial ten si on ,stru ts are sub jected to cen tral com 2p ressi on and arches are beam 2co lum n m em bers .In th is pap er ,acco rding to p ractical engineering ,the sta 2b le behavi o rs of arches and stru ts in p lane beam string structu re have been analyzed qualitatively ,as w ell as the stab ility under acti on of w ind sucti on fo rce .T he conclu si on s ob tained m ay be u sefu l to

designers .

Key words :beam string structu re ;hyb rid structu re ;stab ility analysis ;acti on of w ind sucti on fo rce

张弦梁结构(B eam String Structu re ,简称B SS ),首先由日本大学M .Saitoh 教授在20世纪80年代初提出,它得名于“弦通过撑杆对梁进行张拉”这一基本形式[1]Λ张弦梁结构由拱、撑杆和拉索杂交而成,三者形成自平衡体系Λ张弦梁结构通过撑杆减小拱弯矩和挠度的同时,由弦抵消拱端推力,充分发挥拱形结构的受力优势和高强索的抗拉特性,从而实现大跨结构Λ由于张弦梁结构的高跨比一般取1 10,与一般梁式结构无异,因此,一维张弦梁结构的跨度不宜过大Λ

钢结构设计一般受稳定控制,而非强度控制Λ文献[2]采用几何非线性有限元法探讨了单榀张弦梁结构的平面内外稳定性,并通过对相关参数的改变,如垂跨比、高跨比、撑杆数目和拉索的预拉力等对结构稳定性能的影响进行了分析Λ本文结合已建工程实践,对一维张弦梁结构的拱和撑杆的稳定性能进

行定性分析Λ

将一维张弦梁按不同方式进行布置,可形成空间张弦梁结构,即双向、多向、辐射式和弦支穹顶[3]Λ因张弦梁交叉布置,侧向约束比一维张弦梁加强,结构呈空间传力体系,但节点处理较复杂Λ

1　拱的侧向稳定

一维张弦梁结构中,拱的侧向刚度小,易出现平面外失稳,因此需在各榀平行布置的张弦梁之间设置纵向连接构件(Stiffen ing M em ber ),从而形成一维张弦梁结构(图1)Λ纵向连接构件为各榀一维张弦梁结构提供侧向支承点,屋面荷载由各榀一维张弦梁结构单向传递Λ纵向连接构件一般采用高强拉索,并对其施加预应力,防止其松弛,以保证拱的侧向稳定[4]Λ

图1　一维张弦梁结构

广州国际会展中心主展厅张弦梁屋盖[5],间距15m ,由5个单元组成,屋面结构布置如图2所示,采用满布水平交叉刚性支撑(<219×6.5圆管),并铺设H 型钢檩条(H 500×200×10×

16)来保证格构式拱的侧向稳定Λ

拱采用倒三角形断面的格构式钢管桁架(

图3(a )),相对于单根杆件的实腹式截面,其侧向稳定性可得到改善Λ文献[5]分析认为,H 型钢檩条能够提供足够的约束能力以阻止格构式拱的倾斜(图4)Λ

图2　单元屋面结构布置

图3　张弦梁剖面图

图4　檩条对格构式拱转动的约束作用

事实上,由于满布水平交叉刚性支撑,广州国际会展中心主展厅张弦梁屋盖格构式拱的上弦和支撑已形成刚性屋盖,几乎不可能出现图4所示的侧向变形,但这样做显然不经济Λ经估算,屋面支撑和檩

条的用钢量为25kg m 2

,由此可见,檩条的经济跨度

和满布刚性支撑的做法值得研究Λ

1997年建成的上海浦东国际机场候机楼是我国首次采用的一维张弦梁结构,最大跨度82.6m [6],间距9m ,结构剖面如图3(b )所示,实腹式拱由三根平行方管组成,中间主弦为400×600×18焊接方管,两侧副弦为300×300×6方管,由两个冷弯槽钢焊成,主副弦之间由短管相连Λ

当拱受压翼缘的自由长度l 1与梁宽b 之比满足限值,可不验算整体稳定[7]Λ由文献[6],最大跨度的办票厅张弦梁屋盖R 2,侧向水平交叉支撑的最大间距l 1=29.15m ,b =3.3m ,l 1 b =8.8ν13,则拱的侧向稳定可不验算Λ全国农业展览馆中西广场展厅张弦梁屋盖[8]亦采用格构式拱,结构跨度77m ,在两侧支座和中部1 3处共设置了4道通长的倒三角桁架作为纵向垂直支撑,l 1=25.67m ,b =2m ,则l 1 b

=12.8<

13,格构式拱的侧向稳定亦可得到保证Λ

2　撑杆的稳定

广州会展中,撑杆的上下端均设计成铰接,当轴压力较大时,撑杆存在平面外的失稳趋势Λ文献[4]的分析结果表明,绝大部分情况下结构是一个自平衡的稳定体系,一般不会出现撑杆平面外的失稳Λ下面以一简单的单撑杆张弦梁模型进行说明(图5)Λ

图5　单撑杆模型

图6　撑杆变形图

首先对结构进行静力分析,得到各构件在均布

荷载q 作用下的内力Ζ设拉索的张力为T ,其水平分力和竖向分力分别为T co s Α和T sin Α,由撑杆的平衡条件,轴压力等于拉索的竖向合力,即N =

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2　第3期

姜正荣,等:一维张弦梁结构的稳定分析