大跨度短撑杆式张弦桁架结构形式的研究*

黄建华 张华刚

近十年来,我国大跨度空间结构发展迅速,陆续修建了一批具有代表性和影响性的工程,其中张弦结构得到了广泛应用。最早由日本学者M.Sartoh教授于20世纪80年代首次提出,将张弦梁结构定义为“用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系[1]。我国最早于1999年成功将张弦梁结构应用于上海浦东国际机场航站楼工程(最大跨度为82.6 m)[2]。十年来的研究和发展,上弦形式从梁发展到拱,桁架,立体桁架;从单层发展到双层;从单向发展到多向,以至空间结构。其中张弦桁架以综合效益的优异性,工程实践的时效性等优点得到大量的应用。

1 短撑杆式张弦桁架结构

短撑杆式张弦桁架[3]是用短撑杆连接上弦梭式桁架与下弦拉索形成的自平衡结构。2004年首次由贵州大学空间结构研究中心马克俭院士提出,新型张弦桁架成功应用于成都新国际会展中心屋盖工程(最大跨度为90m)[5],可认为它是短撑杆式张弦桁架的撑杆长度为0的特例。工程实践表明,该结构具有良好的经济技术指标。短撑杆式张弦桁架是对传统张弦桁架的创新,与传统的张弦桁架相比优点有如下几个方面:1)利用传统的梭形平面桁架或立体桁架施加体外预应力,将张弦梁的弯曲内力转化为轴力,且预应力对结构产生的轴力与荷载产生的轴力可以叠加,结构呈减小趋势,从而使结构的用钢量下降。2)短撑杆与钢索通过旋转轴承连接,构造简单,且几乎不引起预应力损失。3)结构抗剪刚度由梭形桁架提供,本身抗剪刚度就优于张弦梁结构。4)撑杆的长度较短,一般在0.3 m～2 m之间,远小于张弦梁结构6 m～12 m的撑杆长度。5)预应力张拉不引起结构跨度改变,可以确保建筑造型,既可地面张拉,也可以高空张拉,施工简单易行。6)上弦梭形桁架本身的刚度就可以抵抗风吸力的影响,无需配置或设置抗风拉索。

2 短撑杆式张弦桁架结构形式的分类

短撑杆式张弦桁架既可作成平面管桁架结构形式,也可作成空间管桁架形式,这两种形式主要分两大类:1)竖直撑杆式新型张弦桁架见图1;2)V形撑杆式新型张弦桁架见图2。上述两种形式的梭形桁架的上弦和下弦可以为:抛物线、圆弧线、折线、水平直线等形式。预应力索为抛物线、折线。竖向撑杆上端与桁架下弦刚接,下端与索不完全铰接,即索可沿其切线方向自由滑动。

3 撑杆布置形式对结构性能的影响

3.1 计算模型

竖直撑杆式张弦桁架和V形撑杆式张弦桁架如图3,图4所示,两种结构除撑杆形式不同,其他的参数都相同。支座跨度都为120m,立体桁架上弦宽度4m。跨中立体桁架矢高为5m,桁架下弦垂度为3m,拉索垂度为5m,桁架上弦网格数为20个。左端为固定铰支座、右端为滑动铰支座。上弦桁架截面为倒三角形。撑杆各为8个竖直式和8个V形式以桁架中点对称等距布置。

管桁架采用Q235钢,拉索采用1670级高强钢丝索,规格为PES C5-409,外包双层PE。两种桁架跨中截面如图5所示。

3.2 撑杆布置形式对桁架结构力学性能的影响

采用有限元分析方法,利用ANSYS10.0分析,对上述两种结构形式进行力学性能比较分析。计算模型中短撑杆式张弦桁架上弦杆、下弦杆、腹杆、撑杆、横杆和斜杆都采用 Link8单元,预应力拉索采用Link10单元。计算中主要考虑三种荷载的作用:1)预应力:采用初始应变加载的方式模拟,初始应变为0.002;2)桁架结构自重:ANSYS10.0软件程序自动计算;3)屋面荷载:恒载为0.5 kN/m2,活荷载为0.5 kN/m2,上弦以桁架间距15 m范围内荷载计算。共计算两种工况:工况一:预应力+自重+屋面全跨荷载;工况二:预应力+自重+屋面半跨荷载。

通过ANSYS10.0软件计算,可以从图6,图7看出在两种工况作用下,两种桁架的竖向位移都满足GB 50017-2003钢结构设计规范最大挠度与其跨度之比小于1/250的要求。从表1可以看出:两种工况作用下,V形撑杆式张弦桁架的竖向位移略大于竖直撑杆式张弦桁架的竖向位移,以及工况一作用下,V形撑杆式张弦桁架的滑动支座位移略大于竖直撑杆式张弦桁架的滑动支座位移。工况二作用下,滑动支座位移略小于竖直撑杆式张弦桁架的滑动支座位移。

结构跨中杆件轴力如表2所示,两种工况作用下,侧杆轴力不变,除V形撑杆式张弦桁架的上弦杆轴力和撑杆轴力略小于竖直撑杆式张弦桁架的上弦杆轴力和撑杆轴力,其他的V形撑杆式张弦桁架杆件轴力都比相对应的工况作用下的竖直撑杆式张弦桁架的轴力增加幅度不大。V形撑杆式张弦桁架索轴力增加的主要原因是结构的竖向位移增加引起了索的垂度增加,使索的预应力增加。综合得:两种结构的竖向位移、滑动支座的水平位移和杆件轴力变化不太大,V形撑杆式张弦桁架的撑杆节点施工难度较大。竖直撑杆式张弦桁架的结构优于V形短撑杆式张弦桁架,但建筑造型没有V形撑杆式张弦桁架美观,建议使用时综合考虑。

表1 两种结构形式在两种工况作用下的位移 mm

表2 两种结构形式在两种工况作用下的跨中杆件轴力 kN

4 结语

短撑杆式张弦桁架与传统张弦桁架结构相比,具有造价低、用钢量小、构造简单、撑杆长度短、施工简单和抵抗风吸力好等优点。有竖直撑杆式和V形撑杆式,计算分析结论如下:1)竖直撑杆式张弦桁架的竖向位移和滑动支座位移小于V形短撑杆式张弦桁架。2)竖直撑杆式张弦桁架的杆件轴力小于V形短撑杆式张弦桁架。3)V形短撑杆式张弦桁架的施工难度和用钢量略大于竖直撑杆式张弦桁架,但建筑效果比较美观。

[1]M.Saitoh,A.okada.The Role of String in Hybrid String Structure[J].Engineering Structure,1999(21):756-769.

[2]陈以一,沈祖炎,赵宪勇,等.上海浦东国际机场候机楼R2钢屋架足尺试验研究[J].建筑结构学报,1999,20(2):9-17.

[3]马克俭,张华刚.一种短撑杆式新型张弦桁架[P].实用新型专利:ZL200410155399.7.

[4]夏海霞,韩章良.钢桁架结构计算[J].山西建筑,2009,35(5):84-85.

[5]马克俭,张华刚,郑 涛.新型建筑空间网格结构的理论与实践[M].北京:人民交通出版社,2006:275-281.