几何缺陷对圆钢管上弦张弦梁影响的数值分析

薛宝东 齐永胜

张弦梁结构在加工、运输、安装时会发生一定程度的变形,实际结构带有几何缺陷,此缺陷会影响结构的力学性能。这种影响会不会使实际结构的力学性能与力学模型的计算结果产生明显差异,以致影响工程质量,是个值得研究的问题。文献[1][2]对工字形截面和箱形截面上弦平面张弦梁的几何缺陷的力学影响进行了分析,并提出了设计和施工中的注意事项,本文则针对圆钢管上弦张弦梁几何缺陷的力学影响进行研究。

一般而言,张弦梁的几何缺陷可分为平面内几何缺陷和平面外几何缺陷,限于篇幅,本文仅对影响较大的张弦梁上弦平面外几何缺陷对预应力张拉阶段的力学影响进行探讨,所用数值工具为ANSYS11.0。

1 张弦梁数据

以某体育馆张弦梁为例,跨度为42 m,初始状态的几何尺寸如图1所示,上弦采用焊接圆钢管,规格为325×30,腹杆采用φ 121×4.5圆钢管,下弦采用SNS/S-5×55型钢索。上弦与腹杆、腹杆与下弦都采用铰接连接(平面内)。上弦、支座竖杆和腹杆均采用Q235b钢材,弹性模量为2.06×105MPa;下弦钢索弹性模量为1.9×105M Pa,条件屈服强度为1 330 MPa。

2 数值模型

张弦梁上弦与端竖杆采用Beam189单元,腹杆采用Beam44单元,下弦采用Link10只拉不压单元。考虑到节点的具体约束方式,腹杆在平面内与上弦和下弦铰接,在平面外与上弦刚接、与下弦铰接;梁左端支座采用固定铰,右端支座采用可动铰。数值模型如图2所示,部分节点坐标值见表1。预应力张拉采用等效降温法,张拉力为150 kN。上弦每节间钢梁和腹杆划分为5个单元,下弦钢索每节间划分为1个单元,为考虑结构的非线性特征,开启大变形开关,启动应力刚化功能,采用50个荷载子步,并采用较密的单元划分方式。

表1 节点坐标值 m

3 张弦梁平面外几何缺陷模式在数值模型中的引入

平面外几何缺陷可在建模时引入:本结构跨度42 m∈[30,60],根据GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范[3]表10.3.3规定的钢屋(托)架、桁架、梁及受压杆件垂直度和侧向弯曲矢高的允许偏差(mm)确定张弦梁上弦平面外几何缺陷的最大值为Δmax=min{l/1 000,30.0}=30 mm,张弦梁上弦平面外几何缺陷的模式用余弦曲线的1个半波表征(这代表了最有可能出现的缺陷模式),具体如图3所示,余弦函数的幅值根据不同钢结构加工单位的加工精度分别取为5 mm,15 mm,30 mm。

4 预应力张拉过程的计算和分析

4.1 张弦梁平面外位移

表2 不同缺陷幅值情况下的关键节点平面外位移 mm

张弦梁关键节点平面外位移如表2所示,数据表明:

1)结构平面外位移随上弦平面外缺陷幅值的增大而增大;2)尽管结构的平面外位移是由于上弦平面外几何缺陷造成的,但下弦节点的平面外位移明显大于上弦节点相应数值。这是由于结构上弦平面外几何缺陷使得整个结构在预应力张拉作用下发生整体扭转,由于下弦节点比上弦节点更远离支座连线(即x轴),在相同的扭转角情况下,下弦比上弦更加远离原始位置所致;3)在幅值Δmax=5 mm,15 mm,30 mm的情况下,下弦跨中节点平面外位移分别为-38.567 mm,-116.860 mm,-242.510 mm,全都超出了GB 50205-2001钢结构工程施工质量验收规范表10.3.4关于单层钢结构主体结构的整体垂直度和整体平面弯曲的允许偏差(mm)规定的钢屋架下弦平面外几何缺陷的最大限值:Δmax=min{l/1 500,25.0}=25.0 mm,并且在预应力张拉完毕,进行下一步施工时和结构在正常工作状态时,由于屋面荷载的作用,这个变形值会进一步增大,妨碍结构性能和美观要求,还可能造成围护结构的损坏。因此在没有侧向支撑的情况下在地面进行一次预应力张拉,将钢索张拉到预应力设计值的做法对圆钢管上弦张弦梁结构是行不通的。

4.2 圆钢管上弦张弦梁结构对上弦平面外几何缺陷的敏感性的施工对策

上述计算与分析表明本工程的张弦梁结构对上弦平面外几何缺陷非常敏感,很容易发生平面外失稳现象。

考虑到圆钢管上弦张弦梁对平面外几何缺陷的敏感性,施工时不宜在地面进行充分的预应力张拉,可先在地面的胎架上将张弦梁拼装成型,然后进行初步的预应力张拉以使结构具备一定的整体刚度;但初步的预应力张拉值宜控制在设计张拉值的1/3(本文为50 kN)以下,以免结构在张拉和吊装过程中失稳;待吊装就位将支座固定后(一端为固定铰支座,一端为可动铰支座),将次梁(次梁端部与混凝土柱可靠连接,可起到侧向支撑的作用)与张弦梁铰接以阻止进一步张拉时可能发生的失稳,然后用液压千斤顶将张弦梁张拉到150 kN的预定张拉力设计值。

5 结语

1)张弦梁结构不同的上弦截面形式对其力学性能尤其是平面外稳定性影响很大,选取截面时应充分考虑这种影响。2)圆钢管上弦张弦梁由于上弦截面平面外刚度较小,结构具有对上弦平面外几何缺陷的敏感性。采用此种截面形式时,设计人员应对施工过程提出注意事项,可将预应力张拉过程分两步进行:先在地面进行初步张拉使结构具备一定的整体刚度,然后吊装就位,与侧向支撑可靠连接后,再将张弦梁张拉到张拉力设计值。

[1]齐永胜,赵风华.几何缺陷对张弦梁预应力张拉影响的力学分析[J].青岛理工大学学报,2009(6):43-47.

[2]齐永胜,米旭峰.初始缺陷对张弦梁结构影响的数值研究[J].四川建筑科学研究,2009(6):56-60.

[3]GB 50205-2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].

[4]黄明鑫.大型张弦梁结构的设计与施工[M].济南:山东科学技术出版社,2005:10.

[5]童根树.钢结构的平面外稳定[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:69-77.

[6]钱若军.张力结构的分析·设计·施工[M].南京:东南大学出版社,2003:328-329.