张力索桁屋盖设计与施工

2021-06-04吴清明丁明刚

四川建筑 2021年2期

杜娟, 吴清明, 丁明刚

(1. 拉萨市设计院, 西藏拉萨 850000; 2. 中交通力股份有限公司, 陕西西安 710065)

1 张力索形桁架结构

1.1 张力索桁吊桥

悬索吊桥跨越能力大，斜拉桥结构刚度大，二者刚、柔特性无法作结合计算和使用。二者再加大跨径也困难，可将斜拉桥用作悬索吊桥桥面使用。即将斜拉桥作分段相邻悬吊组合连接形式，使悬索曲线外形改变成折线形主拉索,与斜拉索相互形成稳定三角形桁架。索只具有受拉刚度，利用承重受拉条件，能够形成张力索形桁架，是传统形式桁架的“衍生”名称。折线主拉索使悬吊斜拉桥面轴向受压，获得免费轴向预压力，使桥面系抗弯刚度加大。张力索形桁架是一种新型建筑结构形式，作桥梁使用形成张力索桁吊桥。结构有稳定性好、承载刚度大、自重轻、变形小和抗风稳定好特点，适合向大跨径发展。

1.2 张力索桁屋盖

张力索形桁架是一种新型建筑结构形式，屋盖与张力索形桁架作组合应用，使大空间建筑变得容易，张力索桁屋盖新结构应用具有实用意义。采用轻型钢屋盖结构与张力索形桁架相组合形成，具有空间整体刚度大，稳定性好，重量很轻，结构简单，施工简便特点。悬索和斜拉索都是高强度索，在屋盖自重作用小，可形成稳定张力索形桁架结构。屋盖主要起防风、雨、雪、日晒和安装太阳能电池板作用。索桁内力复杂，建模和计算困难，可采用张力索桁吊桥建模和计算技术解决。即作有限元实用工程数值模拟仿真建模大数据计算，使用工作站计算简便，计算结果全面、直观，便于作修改和优化。张力索桁屋盖经济性好，用途广泛。

2 计算方法

2.1 有限元模拟仿真计算

张力索桁屋盖是新结构，必须做科学计算，以证明其科学和正确性。唯有采用仿真建模计算密集型大数据计算，才能认清其力学原理和内力规侓。西北工业大学王国强教授著有《实用工程数值模拟技术……》[2]，是对仿真建模计算的引导。张力索桁屋盖采用索、梁、板单元组合形成，如何作组合建模和作计算，现在问题都能解决。

2.2 计算软、硬件

现在计算机和有限元程序技术都有很大发展，已为结构使用仿真建模计算提供了条件，也是世界发展的趋势。我国不缺计算机硬件，市场上可买到计算软件程序，关键是作具体应用的经验。联想C20工作站内存16G，能作百万单元计算，模型规模已经够大。

2.3 抗风稳定

张力索桁屋盖是稳定结构形式，张力索形桁架是空间高大变刚度组合桁架，结构空间刚度大，变形小和抗风稳定性好。抗风稳定问题主要是阵风作用影响，除对悬吊斜拉索和屋盖结构刚度适当作加强外，可模拟积雪和风荷载作活荷载加载计算。屋盖端部应设边加劲桁架加劲，在两侧加设抗风索保持稳定，顶面应加设预拱度排水。

2.4 技术发展

张力索桁屋盖是新型张力索桁结构，是张力索桁吊桥技术的使用，是科学技术发展的产物。现在有计算程序和工作站，可使新型张力索桁屋盖技术获得发展。屋盖技术使用场合广泛，各种技术难度和造价都高，唯有张力索桁屋盖技术先进、合理和经济，适合体育场、展馆、商场、车间、车站、仓库使用，也适合现代农业作温室种植、养殖科学发展，可用于人工改造沙漠。

3 设计计算

3.1 计算方法

一般结构计算是作简化近似计算，已不能满足现代工程结构发展需要。采用仿真建模大数据计算，使计算全面和详细，全面反映内力真实情况。只是不同单元建模困难，大规模单元数量计算困难。

3.2 仿真建模

3.2.1 建模原理

有限元程序是先将结构作离散单元划分，然后再作数学计算，计算是对结构偏微分方程作积分求解。有限元计算原理有(美)J.S.《矩阵结构分析理论》[1]，是结构体系作内、外力平衡计算，按单元刚度作内力分配和传递，矩阵力学计算方法科学先进，已经获得广泛应用。

3.2.2 建模技术

建模原理：梁单元连接、索应力刚化、计算密集型大数据计算，详见《实用工程数值模拟仿真建模计算》内容。

3.3 仿真建模应用

3.3.1 CAD技术

有限单元法计算结构模型绘图，已经结合了CAD绘图建模技术，使结构模型建模绘图很方便。仿真建模的单元类型多，使结构组合建模发生困难。在不同单元之间，可以按需要加设梁连接单元。使用灵活、方便，即梁与梁、梁与板、桁架与板之间都可加设梁连接单元。

3.3.2 MIDAS/CIVL迈达斯程序建模

3.3.2.1 建模

迈达斯程序界面好，采用CAD建模方便易学，对索单元采用应力刚化。索应力刚化是采用名义弹性模量E=4×1.95×1011=7.80×1011Pa，自己定义输入E=7.8×1011Pa经验值方法很简单、实用。

3.3.2.2 功能

结构作仿真建模，是将模型简化为节点、线、面和块体单元显示，迈达斯程序最大单元计算控制数量在100万以内。程序具有消隐显示功能，直接显示出结构真实立体外形，形象直观，便于分析和检查模型的合理性，也便于对模型再优化。

3.3.2.3 张力索桁屋盖建模

张力索桁屋盖作仿真建模，模型有索、梁和板三种单元类型，并有梁-板和板-桁结构相互组合。索、梁单元建模简单，以纵、横梁与板相互间配合组合复杂，需要添加梁连接单元作组合，板单元划分较细，使总单元数量很庞大。但单元建模有规侓性可循，可利用结构对称性作简化，使仿真建模简便。

3.3.2.4 建模经验

CAD程序节点和单元建模、移动、复制和修改功能都很强，很简便、灵活、实用。板单元具有建模、移动、旋转和复制等功能，也简便、灵活、实用。抛物线索建模，可利用程序基本结构拱建模助手，将自动形成拱曲线旋转-180°角度即可。折线主拉索可以修改抛物线索形成。纵、横梁和纵梁与板相互组合建模，加设梁连接单元简便，先建立一定单位长度基本节段，再作节段复制简单。屋面段斜拉索先作移动、复制和修改，移动悬吊节点形成方便。

3.3.2.5 MIDAS/CIVL程序计算

对迈达斯程序作索应力刚化，采用名义弹性模量E=4“E”作计算，修改索单元弹模赋值方便，同理可应用于其他结构程序作计算。对索单元作应力刚化数值量化，使应力刚化概念更直观。张力索桁屋盖结构的空间約束扭转作用大，唯仿真建模计算最清楚。

4 张力索桁屋盖特性

4.1 技术先进性

张力索桁结构是新型的建筑结构形式，充分发挥索的高强度优势，结构自重轻、整体刚度大和稳定性好，使其具有大跨度能力，是新的大跨度结构发展方向。屋盖结构仅承受风、雨、雪荷载，结构是自重小的轻型钢桁、梁骨架，跨度适合100～500 m，以宽度10 m为基本单元可组合形成任意宽度，即形成任意大、小矩形屋盖，远超过其他任何结构形式屋盖。

4.2 结构特性

张力索桁屋盖结构是独立悬吊体系，由塔架、锚碇、缆索和屋盖组合形成，使用具有调整方便灵活的特点。屋盖结构简单，由钢管倒三角形桁架梁与拉索相组合，形成张力索形桁架梁，承受宽度以10 m为基本单元的横、纵轻型钢梁重量，在纵梁上安装屋面薄钢板、采光板、太阳能电池板。屋面薄钢板、采光板、太阳能电池板都设有边框架，以便于加工、安装和维修。张力索形桁架梁为空间结构，竖向承载刚度大，横向空间刚度也大，故10 m单元宽度的自身稳定性好。按10 m单元宽度作多个单元用横梁作组合，整体屋盖的刚度很大，稳定性很好。

4.3 技术应用

张力索桁屋盖是悬吊结构，屋盖复盖面积大、小可灵活变化使用，既可与所复盖结构相结合，也可独立配合复盖已有结构，如露天体育场、馆。屋盖复盖面积大、小按需要而定，使其经济合理，经济性受塔柱和锚碇影响大。高塔架可以是钢管、钢筋砼或钢管砼桁架，锚碇可采用预应力桩—板组合或箱形重力式结构，充分利用地基抗力作用。主拉索垂/跨比选择，可使内力合理和经济，斜拉索分段长度应合理。屋盖结构都采用统一标准，以方便设计、加工和施工。

5 算例

5.1 模型数据

面积A=300×500 m2, 跨度L=300 m, 宽度B=500 m, 单元宽度b=10 m。

建模面积F=(L/2)×(B/3)=150×170 m2，加劲桁架高度h=3 m，宽度b=5 m。

弦杆钢管φ200×6 mm，腹杆钢管φ120×6 mm，横梁方钢管□200 mm×150 mm×6 mm。

纵梁方钢管□160 mm×120 mm×4 mm，屋面板□1000 mm×1000 mm×3 mm，屋面板边框角钢L=50 mm×50 mm×4 mm。

屋面板连接杆角钢L=50 mm×50 mm×4 mm，纵梁连接杆角钢L=50 mm×50 mm×4 mm。

桁架弦杆连接杆角钢L=100 mm×100 mm×10 mm，纵与横梁连接杆角钢L=100 mm×100 mm×10 mm。

塔柱变径钢管φ2000(小1000)×20 mm，塔柱顶横梁工字钢Ⅰ500×12 mm，索鞍d=500 mm。

主拉索(垂/跨)=F/L=1/15，主拉索n=2×7×φ15.24 mm钢绞线，斜拉索n=2×φ15.24 mm钢绞线。

5.2 仿真建模

风、雨、雪荷载，采用恒载加大系数1.3。

模型：L=300 m，节点540 283，单元780 606(梁370 906、板409 700)。

塔架：变径钢管按板单元建模。

5.3 大数据计算

联想C20工作站，内存16G，显存4G,计算机时约2 h。

计算结果图：图1～图4。

图1 反力Rx、Ry、Rz

图2 单元内力Fx

图3 宽度10m 板单元内力Fx

图4 宽度10m 梁单元内力Fx

5.4 计算结论

张力索桁屋盖数值模拟仿真建模大数据计算，进行顺利并成功。计算成果全面，云图显示形象清楚，便于认识结构特性。证明张力索桁屋盖结构科学合理，安全可靠，技术先进，施工简便经济。张力索桁屋盖划分为基本单元的仿真建模方法正确、合理、简单，便于作任意横向复制加宽。对张力索桁屋盖基本单元作单独计算，证明结构刚度大和稳定性好，与横向加宽后整体计算结果相近。屋面钢板张力刚度大是其特点，证明整体屋盖整体刚度大和稳定性好。张力索桁屋盖平面建模方便，施工中利用加劲桁架加设排水预拱度。