拉伸弹簧装置下单跨悬索结构的力学分析与实验研究

2019-10-12吕申罗兆辉梁来弟

安徽建筑 2019年9期

吕申，罗兆辉，梁来弟

（天津城建大学土木工程学院，天津 300384）

1 引言

荷载缓和体系是在结构中引入某种做机械运动的装置，使结构形状变化很大时而内力变化不大。自1997年单建教授将荷载缓和体系概念介绍到我国以来［1］，我国学者进行了许多相关研究［2-4］，从理论计算分析到工程实践应用，大大推动了荷载缓和体系在建筑结构领域中的使用，并与既有结构形式杂交产生了若干新型结构形式，如:新型体育场顶篷体系［5］，具有荷载缓和作用的环形空腹索桁结构［6］，荷载缓和大跨张弦结构［7］和荷载缓和单向张弦梁结构［8］。然而，荷载缓和体系的应用仍存在一定局限性，具体表现为:用一定程度的变形缓和结构受力，较适合于柔性结构，造成应用面较窄;现在研究较多的荷载缓和体系多利用滑轮加吊重的方式，但重量较大的吊重安装在结构的空中，给使用带来了不便，也带来了安全隐患，难以满足现代建筑的外观要求，在一定程度上影响了荷载缓和体系的应用。

针对上述问题，本文提出了一种采用拉伸弹簧缓和装置的悬索结构，利用弹簧的可伸缩特性对悬索结构起到缓和荷载、减少内力的作用。通过理论分析，实验验证，研究了该荷载缓和装置对改善悬索结构内力的影响，分析了弹簧位置、弹簧刚度系数等对荷载缓和效果的影响。

2 荷载缓和体系的概念及工作原理

荷载缓和体系的设计思想是在结构中加入一种可动装置，当荷载变化时，这种装置能自动地发生运动，从而调整结构形态，将结构的内能转换为外能，以适应荷载变化，达到自我保护的目的。其作为屋面结构,就像一张弹性很大的网,会产生位移,却不会被撕破。

将传统的悬索结构与荷载缓和体系进行比较，可以说明引入荷载缓和体系的概念之后，结构体系的工作机理明显不同。对于传统的悬索结构，由于索端固定，当施加荷载时，索产生微量变形，内力增大，荷载所作的功全部转化为索的内能，直至破坏，索中能量突然释放；而荷载缓和体系，由于索的一端没有固定，而是通过滑轮与重物或弹簧连接，因此，当作用在索上的荷载增加时，索就会下降，重物就会上升或者弹簧被拉伸，直至达到新的平衡处，重物势能或弹簧变形能的增加抵偿了荷载所作的功，这个过程一直持续到索到达地面，索系退出工作。通过两种结构工作机理的对比可以发现，“荷载缓和”概念的应用，是结构特别是柔性结构进行自我保护，延缓突然性破坏发生的一个有效手段。

本文将拉伸弹簧引入悬索结构中，做为荷载缓和装置，示意图如图1所示。

图1 采用拉伸弹簧荷载缓和装置的悬索结构

3 结构受力及变形分析

计算假定：①在悬索中点施加集中荷载P；②立柱与地面固接；③忽略柱头在发生水平侧移时引起的竖向位移；④不计悬索与滑轮之间的摩擦力。

结构在受荷过程中，悬索的垂度f、悬索拉力Ns、弹簧伸长度x、立柱柱头的水平侧移Δ，这些变量之间皆有关联，因此先采用迭代法计算出结构的部分内力和变形，再计算出其它的结构内力。

结构内力和变形的迭代法计算详见图2。

图2 结构内力和变形的迭代计算框图

图2中，S与S0分别为悬索在受荷状态与初始状态时的悬索长度；L1为悬索两端部之间水平距离；θ为悬索与水平线的夹角；EI为立柱的抗弯刚度。

4 算例分析与实验验证

为了验证理论分析的正确性，并直观了解荷载缓和装置的效果，本文利用竹材、502胶水，制作了小型缩尺模型，进行了加载实验，并将测试结果与理论计算数据进行了对比，并与普通悬索结构的理论计算结果进行了对比。

4.1 构件相关参数

制作出的结构模型照片如图3所示。

①立柱采用组合格构柱，采用竹条制作，四角的小方柱采用b×h×t=7×7×1mm的空心杆，每隔100mm用3×3mm竹条连接。

经计算，该杆的截面面积A=103.84mm2，截面惯性矩 Iy=82033.95m4，Ix=34267.55m4。

经过实验测得竹条的弹性模量E=4600MPa。

立柱高度H=600mm，柱底轴间距L=800mm。

②屋顶悬索：采用直径1.5mm的细钢丝绳。

③荷载缓和装置：在柱顶安装滑轮，并在柱顶三角架安装外侧滑轮，该滑轮轴距立柱轴线间距a=150mm；

拉伸弹簧通过拉索与外侧滑轮及底板相连，长度300mm，经过实验测得弹簧的刚度系数K=0.916N/mm。

图3 结构模型照片

4.2 实验数据与理论计算值的对比

结构模型的实验数据与理论计算值对比详见表1，表中的符号Δ为立柱柱头的水平侧移，f为悬索的垂度。从表1可以看出，柱头侧移Δ的实验值和理论值相比，误差在-8.51%至5.76%之间，但多数误差在7%以下，平均误差-3.65%，较小；悬索垂度f的实验值与理论值相比，误差在2.47%至7.03%之间，平均误差3.49%，较小；说明理论计算值和实验值相接近，理论计算是正确的。