張弦梁結構有限元分析

1.張弦梁結構體系的理論研究大傾角結構（bss）是過去10年來發(fā)展起來的一種新型結構形式。結構由剛度較大的抗彎構件(剛性構件,通常為梁、拱或桁架)和高強度的弦(柔性構件,通常為索)以及連接兩者的撐桿組成;通過對柔性構件施加拉力,使相互連接的構件成為具有整體剛度的結構。由于綜合應用了剛性構件抗彎剛度大和柔性構件抗拉強度高的優(yōu)點,張弦梁結構可以做到結構自重相對較輕,體系的剛度和形狀穩(wěn)定性相對較好,因而可以跨越很大的空間。張弦梁結構作為一種新型的空間結構型式,雖然已經(jīng)應用于諸多實際工程中,但是關于其理論和試驗的系統(tǒng)研究尚少有涉足,并很少出現(xiàn)在可查的文獻中。已見報道的研究包括:利用商用或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序,分析撐桿數(shù)目、矢跨比、梁弦剛度比、弦的預拉力和邊界約束條件等參數(shù)對成形后的張弦梁結構性能的影響;對浦東國際機場候機樓張弦梁屋蓋進行縮尺和足尺模型試驗,比較全面地分析了張弦梁結構在張拉階段和使用階段的受力性能;通過地震振動臺模型試驗,初步分析了張弦梁結構屋蓋系統(tǒng)在地震下的動力反應特征。以上研究使人們對張弦梁的受力性能有了比較清楚的認識,為張弦梁的設計和施工提供一定的參考依據(jù)。但是這些研究主要集中在張弦梁結構成形后的參數(shù)分析或僅針對某一實際結構進行系統(tǒng)分析,對張弦梁結構的實際應用尚不具備普遍的參考價值。2.梁結構建模與阿斯斯-開元分析2.1建立有限模型2.1.1拱梁有限元模型單向張弦梁結構由拱梁(張弦桁架)、撐桿、弦及縱向連接索4個部分組成(如圖1)。本文將拱梁離散為空間直梁元,撐桿視為桿元,弦及縱向連接索視為不能受壓的桿元;邊界條件為拱梁一端視為鉸支座、另一端為可沿著X方向移動的滑動支座,縱向連接索固定于邊界,然后直接用通用有限元分析軟件ANSYS5.7進行分析。2.1.2計算模型及彈性模量本文選擇了20m×20m和40m×40m兩類張弦梁結構進行分析,以分析20m×20m的張弦梁為主。①20m×20m的張弦梁,根據(jù)材料尺寸分成3種模型,見表1。每一拱梁分成20個直梁元,計算模型共有79個節(jié)點,60個梁元,9個可受壓桿元和36個不可受壓桿元。其中,預應力的單位為MPa,拱梁和撐桿的彈性模量取2.06e+5MPa,弦和縱向連接索的彈性模量取1.8e+5MPa,撐桿采用68直徑3厚的鋼管。②40m×40m的張弦梁為了進一步了解BSS在更大跨度時的性能,本文對40m跨的BSS進行了計算。拱梁均采用351直徑16厚度的鋼管,撐桿采用89直徑3.5厚的鋼管,下弦采用7×7的4直徑高強鋼索,預應力取600MPa,鋼管的彈性模量取2.06e+5MPa,鋼索的彈性模量取1.8e+5MPa。其他材料選用情況見表2。2.1.3設計負荷2.2預應力值的大小預應力的主要作用是抵消一部分使用荷載產(chǎn)生的彎矩作用,使結構的撓度減小。但隨著預應力的增加,預應力對拱梁產(chǎn)生的額外軸向壓力也在不斷增大,反而增加用鋼量。相反,如果預應力過小,而風荷載與結構自重相比較大且為主要吸力時,在風荷載的吸力作用下,弦索就有可能失去拉力退出工作,對結構內各桿件的協(xié)同工作十分不利。因此預應力值的大小對于整個結構的工作狀態(tài)和用鋼量都有至關重要的影響。本文按下式計算預應力:,各字符意義見圖2,q0為結構自重,即預應力值大致抵消結構自重產(chǎn)生的彎矩,參見文獻4。2.3計算目①拱梁截面面積、截面慣性矩、弦的預應力和面積對結構剛度的影響;②縱向連接索的預應力對剛度的影響;③跨度對于拱梁截面尺寸的影響。2.4建立模型及邊界條件本文采用大型通用有限元分析軟件ANSYS5.7對BSS的各類模型按各種荷載工況進行分析。建立模型如圖3,荷載及邊界條件定義參照2.1.1的定義。本文考慮為了避免施加預張力過程中對拱梁和撐桿的影響,采用了等效應變法來給弦和索施加預張力。2.5有限分析的求解對模型進行ANSYS有限元分析,本文的分析對象為2.5.1在20m20mbss具體參數(shù)見表1中①模型1不加預張力,此為控制模型;②模型1加預張力;③模型2加預張力;④模型3加預張力。2.5.2弦梁結構預應力的優(yōu)點通過比較模型1、模型2、模型3、模型4的計算結果及變形圖并分析,發(fā)現(xiàn)隨著截面面積和截面慣性矩的增大,結構剛度提高。但總的來說,對于張弦梁而言,增加結構剛度采用增大拱梁截面面積和截面慣性矩的方法是不利的。應當通過傳統(tǒng)方法,比如提高拱梁的矢跨比來提高結構整體剛度。由上述分析,可得出以下結論:a.弦梁結構受力合理,自重輕,構造簡單,施工方便,能夠達到較大跨度,因為采用了預應力,既保證了結構具有足夠的豎向剛度,又能節(jié)約一定的材料用量。b.預應力的主要作用是抵消一部分使用荷載產(chǎn)生的彎矩作用,使結構的撓度減小,然而隨著預應力的增加,其對拱梁產(chǎn)生的額外軸向壓力也在不斷增大,反而增加了拱梁截面。如果預應力過小,而風荷載與結構自重相比較大且為主要吸力時,在風荷載的吸力作用下,弦索就有可能失去拉力退出工作。因此預應力值的大小對于整個結構的工作狀態(tài)和用鋼量都有至關重要的影響。c.提高拱梁截面面積、截面慣性矩,增大弦的預應力和弦的面積,均能提高結構剛度,但提高拱梁截面面積和截面慣性矩會降低結構的綜合經(jīng)濟效益。d.縱向連接索的預應力增大,會使結構剛度降低,所以縱向連接索的預應力不宜過大,只要其在工作過程中不松弛即可。e.隨著跨度增大,拱梁截面尺寸也相應增大,所以對于大跨度情況,拱梁可采用組合結構,如張弦桁架形式。3.模型分析和計算不足3.1文中將風荷載按危險作用方向單向考慮,而實際作用比較復雜。在實際設計和應用中應按不同方向單獨作用和共同作用分別考慮,以更接近實際情況。3.2選擇模型數(shù)較少。本文只對4種模型進行了分析和計算,代表性略顯不足。3.3模型跨度較小,與實際應用中的大跨度張弦梁結構有一定的差距。不同跨度、不同矢跨比的模型在經(jīng)濟效益、剛度等方面存在一定的差距,其在用鋼量上