抗风锚杆在张弦梁结构中的应用研究

潘福婷，王艳华，吴 京

（1.安徽新华学院土木与环境工程学院，合肥230088；2.东南大学土木工程学院，南京210096）



抗风锚杆在张弦梁结构中的应用研究

潘福婷1，王艳华1，吴 京2

（1.安徽新华学院土木与环境工程学院，合肥230088；2.东南大学土木工程学院，南京210096）

摘要：张弦粱结构承受的风吸力大于结构自重等竖直向下的荷载时，预应力索将松弛退出工作。运用SAP2000对某张弦梁结构在预应力索失效后的承载力、变形和整体稳定性进行了分析。计算结果表明：下弦索失效后，荷载只能由主弦杆承担，导致某些构件承载力不足，添加抗风锚杆后各构件的承载力均能满足；稳定拉索和交叉稳定拉杆的设置提高了结构的整体侧向刚度，且有效地抑制了侧向变形。

关键词：张弦梁结构；承载力；抗风锚杆；变形；整体稳定性

0引言

张弦梁结构作为一种大跨度预张拉空间钢结构体系，往往由刚度较大的刚性抗弯构件和高强度的预应力索以及连接两者的撑杆组成，通过下弦索绷紧来保证结构整体刚度形成自平衡体系，结构具有受力合理、简单轻盈、施工便捷等诸多优点，因此近年来在国内得到较多的工程应用［1-3］。但正因为其自重较轻、柔度较大、阻尼小，结构对风荷载十分敏感，所以当作用在结构上的风吸力大于竖直向下的荷载时，下弦索将逐步松弛而退出工作，结构的承载力与整体抗风刚度骤减，因此张弦梁结构的抗风设计显得尤为重要。

当下弦预应力索松弛之后，一般的抗风措施有：配重法、布设锚固索法、增大下弦索的预应力及布设抗风索、抗风锚杆等。庄学臻［4］针对沿海台风地区张弦梁屋盖结构采用在上弦箱形梁体系中填充配重的抗风设计，通过实验研究和有限元分析证明该方法设计可靠、施工简便可行；白正仙［5］等人对跨度为60m的一榀张弦梁结构进行抗风索的布设，分析计算其在静风及脉动风下的抗风性能，结果表明抗风索对抗风刚度的提高较为有效，且抗风索能有效地减小结构在脉动风下的位移响应；罗尧治［6］等人给出了自适应张弦梁结构在风吸力作用下的理论控制模型，该模型能确保自适应张弦梁结构在风吸作用下下预应力索不退出工作。

1 工程实例

本工程为1处在标高37m处连接两栋高层建筑的天窗玻璃幕墙回廊，其屋盖支撑体系采用单向张弦梁结构，跨度为25.5m，下弦索采用抛物线形，垂度为2.5m。将7榀平面张弦梁结构平行布置，用檩条将多榀平面张弦梁结构在纵向进行连接，从而增强结构的平面外稳定。根据风洞试验，测得的风荷载标准值达到±1.5kN/m2，达到了该地区基本风压的3倍，故对主结构进行了承载力和整体稳定性验算，各构件的选材见表1。

表1 各构件选材

1.1 承载力验算

考虑的荷载有恒载、风荷载、雪荷载、地震荷载和预应力。组合方法依据《点支式玻璃幕墙工程技术规程》（CECS127-2001），恒载和预应力始终参与组合，其他3项可变荷载分别按照第一、第二、第三种可变荷载进行排列。分项系数：恒载为1.2，风载、雪载均为1.4，地震荷载为1.3。多种可变荷载参与组合时，第2个可变荷载的组合值系数为0.6。

采用SAP2000进行结构建模和静力分析。主弦杆采用SAP2000中的Frame单元，考虑杆件的抗弯抗扭性能，主弦杆两端是固定铰接，且限制扭矩，一端释放沿主弦杆方向的约束，主要是考虑预应力的施加；檩条和主弦杆之间采用铰接连接。

设计工况1：考虑的荷载有恒载、竖直向下风荷载、雪荷载和预应力，其中预应力为1450kN，其计算模型如图1所示。

计算时程序先计算各个单独荷载工况情况下的内力，再根据要求对各荷载工况进行荷载组合，并验算每一杆件关键截面的应力比，构件的最大应力比见表2，可以看出，所有构件的最大应力比均小于1，满足要求。

图1 工况1计算模型

表2 各构件的计算最大应力比

设计工况2：考虑的荷载有恒载、竖直向上风载和预应力，由于风荷载的数值已经大于结构自重，预应力拉索将退出结构工作，其相应的模型见图2。

图2 工况2计算模型

经过程序验算得出，部分杆件的承载力未能通过验算。在每榀张弦梁两侧分别添加两根Φ15不锈钢抗风锚杆，锚固端位置在桁架支座下2.5m，计算模型见图3。通过程序校核，所有的杆件应力比均小于1，全部通过验算，锚杆内最大应力为190kN。通过增加抗风锚杆，减小主弦杆计算长度，使得结构能满足变形和强度要求。

图3 添加抗风锚杆计算模型局部图

1.2 变形验算

如果张弦梁支撑结构的竖向变形过大，将会对玻璃幕墙产生不利的影响甚至是破坏，因此，对各工况下结构的变形进行了计算，计算结果如表3所示，均未超过规范所规定的1/250，满足设计要求。

1.3 整体稳定性验算

在屋盖平面主弦杆之间添加交叉稳定杆、预应力拉索之间添加两道通长稳定拉索、交叉稳定拉杆以及侧向钢板与主弦杆之间添加撑杆，如图4所示，以增强整体结构的稳定性。为了了解结构的稳定能力，对结构进行了非线性大变形分析［7］。

表3 各工况下的结构变形计算

图4 稳定索及撑杆布置图

在3.0*（1.2×恒载＋1.4×竖直向下风载）作用下，模型计算可以收敛，变形如图5所示，从图中可见，结构主要产生竖向变形，其最大侧向变形仅25mm，说明结构在超载情况下仍具有良好的侧向稳定性。

图5 大变形分析后变形（mm）

2 结论

本文对张弦梁结构分别在风压力和风吸力作用下的承载力和变形分别进行了验算，并对结构进行了非线性大变形分析，得出以下结论：

1）当风吸力大于竖直向下荷载时，预应力索将失效，荷载只能由主弦杆来承担，结构承载力可能不满足规范要求。计算表明，添加抗风锚杆后各杆件的承载力均满足要求，且有效地减小了风吸力作用下结构的竖向变形；

2）稳定拉索和交叉稳定拉杆的添加，可以有效地提高张弦梁结构的整体刚度和稳定性，进而增强结构的抗风性能。

参考文献：

［1］黄颖.大跨度张弦梁结构抗风性能的研究［D］.福州：福州大学，2008.

［2］郝亮亮.抗风索张弦梁受力性能研究［D］.北京：北京大学，2008.

［3］刘树堂.大跨张弦桁架结构尺寸优化设计研究［J］.河南大学学报，2014，44（2）:244-247.

［4］庄学臻.台风地区大跨度张弦结构屋面抗风设计与施工［J］.施工技术，2014，43（2）：42-45.

［5］白正仙，侯西明，关洪阳，等.抗风索式张弦梁抗风有效性分析［J］.工业建筑，2013（增刊）:369-374.

［6］罗尧治，程华强，许贤.自适应张弦梁结构的内力控制理论研究［J］.工程力学，2014，31（6）:159-165.

［7］薛启超.张弦梁结构稳定性分析及优化设计［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.

（责任编辑：郝安林）

The Applied Research of Wind Bolt to the Beam String Structure

PAN Futing1，WANG Yanhua1，WU Jing2
（1.College of Civil&Environmental Engineering，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：When the wind suction exceeds the vertical downward load，the prestressed cable will be inactive.In this paper，the bearing capacity，deformation and the overall stability of a beam string structure were analyzed by SAP2000.The calculation results show that:when the prestressed cable fails，the load can be borne by the main chord member，leading to some lack of capacity.After adding the wind bolt，the bearing capacity of each compo⁃nent can be met；the set of stable cable and stable cross rods can not only improves the overall lateral stiffness of the structure and effectively inhibits the lateral deformation.

Key words:beam string structure；bearing capacity；wind bolt；deformation；overall stability

中图分类号：TU32

文献标志码：A

文章编号：1673-2928（2016）02-0040-03

收稿日期：2015-10-18

基金项目：安徽高校省级优秀青年人才基金重点资助项目（项目编号：2013SQRL098ZD）。

作者简介：潘福婷（1983-），女，江苏扬州人，安徽新华学院讲师，硕士研究生。