大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析

第 9 卷第 1 期 2003 年 3 月 空 间 结 构 SPATIAL STRUCTURES VOl. 9 NO. 1 Mar. 2003 收稿日期: 2002-09-10. 作者简介:陈荣毅( 1973-D 男 福建尤溪人 浙江大学博士后 现在广州国际会议展览中心项目管理办公室负责工程技术管理与施工.主 要研究方向为大跨度空间结构 . 大跨度预应力张弦桁架结构的与分析 陈荣毅1 董石麟1 孙文波2 ( 1~ 浙江大学空间结构研究中心 浙江 杭州 310027S 2~ 华南理工大学建筑设计研究院 广东 广州 510640D 摘 要:本文按照我国的有关规范(特别是荷载取值和材料强度取值 D和风洞试验结果所提供的数据 对广州国际 会议展览中心展览大厅钢屋盖 126~ 6m 跨度的预应力张弦立体桁架钢结构进行计算与分析 .文中主要对矢跨比 ~ 拉 索数量 ~预应力度等三个参数进行了比较分析 . 关键词:空间结构 S 预应力 S 张弦梁结构 S 设计 S 分析 中图分类号: TU394 文献码: A 文章编号: 1006-6578( 2003D 01-0045-03 Design and analysis of a long-span prestressed truss string structure C-EN ROng-yi1 DON Shi-lin1 SUN Wen-bO2 ( 1. SpaCe St1uCtu1es Resea1C Ce te1 e a e1s t Pa z u 310027 C aS 2. S ut C a e1s t eC Gua z u 510640 C aD Abstract: BaSed On the ChineSe deSign StandardS and the Wind tunnel teSt reSu ltS thiS paper deScribeS the deSign and analySiS Of the preStreSSed Spat ial truSS String Structure With a lOng Span Of 126. 6m Which iS the Steel rOOf Structure Of the exhibit iOn hall at uangZhOu Internat iOnal COnVent iOn SExhibit iOn Center. COmpariSOn analySeS are cOnducted fOr three parameterS including the riSe-tO-Span rat iO the number Of cableS and the preStreSSing magnitude. Key Words: Space StructureSS preStreSSS beam String StructureSS deSignS analySiS 1 前 言 在近一二十年来 预应力钢结构因其良好的受 力性能和广阔的应用前景已经越来越得到人们重 视 并在大跨度 ~大柱网的公共和工业建筑中得到广 泛应用[1].张弦梁结构是最近几年发展起来的一种 新型的大跨度预应力钢结构形式 它是由弦 ~撑杆和 压弯构件组合而成的新型自平衡体系.它充分利用 高强索的强抗拉性改善整体结构受力性能 成为受 力合理 ~制造运输方便 ~施工简单的自平衡体系[2]. 我国大跨度张弦梁结构刚刚开始采用.其代表 性工程为上海浦东国际机场航站楼钢屋架和目前正 在建设中的广州国际会议展览中心展览大厅钢屋 盖 图 1 为该结构形式的轴测图 其详细设计情况可 参考文献[3]. 图 1 张弦桁架轴测图 2 参数选择与目的 建筑师根据建筑设计要求以及广州地区的实际 情况9同时考虑到发挥材料的效率9并且为了确保展 览空间9将本工程展览大厅钢屋盖的结构体系确定 为大跨度预应力张弦桁架结构.为了进一步探讨该 结构体系的合理性9本文按照我国的有关规范(特别 是荷载取值和材料强度取值)和风洞试验结果所提 供的数据9对广州国际会议展览中心展览大厅钢屋 盖的 126. 6m 跨度的预应力张弦立体桁架钢结构进 行计算与分析.本文主要对矢跨比 \ 拉索数量 \ 预应 力度等三个参数进行了比较分析9得出了本工程最 终采用的结构分析模型. 3 设计荷载 恒载值:屋面板 O. 5kN/m2 设备等 O. 3kN/m2 檩条与水平支撑 O. 4kN/m2 桁架自重 O. 6kN/m2 合计 1. 8kN/m2 活载标准值: O. 3kN/m2 风荷载: 1. 5kN/m2 4 模型比较分析 文献[4]的研究结果表明9在工程设计的范围内 几何非线性因素的影响可以忽略不计.这对于该结 构的分析和设计提供了便利条件.本文在考虑矢跨 比 \ 拉索数量 \ 预应力度等三个影响参数的基础上9 选取了其中三个典型模型进行比较分析 (见表 1) 9 以说明本工程结构分析模型的确定依据.计算时以 MODEL 1 为基本模型9MODEL 2 与 MODEL 3 为 比较分析模型9模型具体数据见表 1.对三种模型分 别计算其在设计荷载和风荷载作用时桁架的变形量 以及相应拉索的受力情况9计算结果及用钢量列于 表 2.表 2 中的设计荷载为恒载> 1. 2+活载> 1. 4 +预应力9其中预应力的施加是以跨中竖向变形为 零进行的.对于恒载> 1. 2+活载> 1. 4 和预应力分 别作用下的变形与内力在此略去. 表 1 比较分析模型 模型名称 形状 竖腹杆高度 桁架上弦截面 桁架下弦截面 拉索直径 腹杆截面 MODEL 1 1Om @45O> 12. 7 @61O> 12. 7~ @61O> 19. 1 2-337@7 (@161) @68. 3> 6. 4~ @273. 1> 9. 3 MODEL 2 1Om @61O> 19. 1 @762> 22. 2 1-499@7 (@192) @273. 1> 6. 4~ @273. 1> 9. 3 MODEL 3 8. 5m @914> 23. 8 @1168> 25. 4 1-499@7 (@192) @355. 6> 6. 4 表 2 模型计算结果比较 计算条件 MODEL 1 MODEL 2 MODEL 3 设计荷载 变形 跨中竖向: Omm 端部水平: 83. Omm 跨中竖向: Omm 端部水平: 53. 2mm 跨中竖向: Omm 端部水平: 55. Omm 跨中桁架上弦 杆件内力 N= 2162. OkN M= 12. 4kN- m N= 2251. OkN M= 25. 1kN- m N= 4715. OkN M= 82. 1kN- m 跨中桁架下弦 杆件内力 N= 2OO9. OkN M= 3O. 8kN- m N= 26O7. OkN M= 61. 3kN- m N= 4658. OkN M= 187. 1kN- m 端部桁架下弦 杆件内力 N= 6O3. OkN M= 118. 5kN- m N= 6947. OkN M= 188. OkN- m N= 12325. OkN M= 543. OkN- m 拉索 7O88. 8kN 8171. OkN 14555. OkN 风荷载 变形 跨中竖向: 33. 8mm 端部水平: 254. 9mm 跨中竖向: 52. 3mm 端部水平: 252. Omm 跨中竖向: 61. 9mm 端部水平: 252. 9mm 用钢量 张弦桁架 1O3. 3r 177. 1r 459. 6r 拉索 29. 9r 22. 1r 22. 1r 总用钢量 133. 2r 199. 2r 481. 7r 64 空 间 结 构 第 1 期 上述计算结果表明,矢高对杆件内力 ~ 位移 ~ 用 钢量等有显著影响.因此,矢跨比是大跨度钢桁架结 构研究的一个重要因素.根据已有研究成果,合理的 跨度与高度之比一般在 lO~ l5 之间[5].而拉索数量 及预应力度的选择直接影响了杆件截面尺寸,从而 直接导致了结构用钢量的变化. 5 工程#设计# 结合我国钢结构设计与制作有关规范以及圆钢 管设计要求[5-7], 同时考虑到施工因素, 在 MODEL l 的基础上,对杆件截面 ~ 拉索和预应力度的选择作 了进一步的探讨,得到了本工程的结构分析模型,各 主要杆件截面尺寸见表 3,其分析主要结果见表 4. 表 3 工程采用的分析模型 桁架上弦 截面 桁架下弦 截面 拉索直径 桁架腹杆 截面 竖腹杆截面 用钢量 张弦桁架 拉索 总用钢量 @457> l4 @48O> l9~ @48O> Z5 l-337@7 (@l65) @l68> 6~ @Z73> 9 @3Z5> 7. 5 9lt l4t lO5t 表 4 工程模型分析主要结果 预应力度 跨中竖向变形 水平端位移 拉索内力 4ZOkN Omm lZ5mm 45OOkN 另外,我们简要分析预应力度对结构的影响.索 内预应力的作用是使结构反拱以增大索桁架结构的 竖向刚度,从而减小结构的竖向位移.另一方面,索 的张拉必然给桁架附加一个额外的轴向压力和弯 矩.相对于预应力为零的情况,这种变化会增加上部 桁架的内力和索的轴向拉力,有可能增加整个结构 的用钢量. 对于本工程 lZ6. 6m 跨的张弦桁架, 计算了上 述两种情况.当预应力为零时,张弦桁架结构的用钢 量为 5l . 5kg/mZ , 综合位移 448. 5mm; 当索内的预 拉力为 6OOkN 时 (其中预应力度为 4ZOkN, l8OkN 为拉索在自重作用下的内力) ,结构用钢量为 7Okg/ mZ ,综合位移为 Omm. 6 结 语 由于本工程建设工期紧张,在选定了本工程结 构体系后,虽然结构分析结果表明该结构是合理 ~ 可 靠的,但在结构体系的优化设计上未能作深入研究. 为此,根据已有的一些研究成果,建议对矢跨比 ~ 截 面选择 ~ 腹杆数量和节点设计等几个方面作进一步 的探讨,以推动大跨度张弦结构体系的应用与发展. 参考文献 [l] 董石麟 . 预应力大跨度空间钢结构的应用与展望[J]. 空间结构 , Z OOl , 7( 4) : 3-l4. [Z ] 白正仙 , 刘锡良等 . 新型空间结构形式-张弦梁结构 [J].空间结构 , Z OOl , 7( Z ) : 33-38. [3] 陈荣毅 ,董石麟 . 广州国际会议展览中心展览大厅钢屋 盖设计[J]. 空间结构 , Z OOZ , 8( 3) : Z9-34. [4] 孙文波 . 广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨 [J]. 建筑结构 , Z OOZ , 3Z ( Z ) : 54-56. [5] J A Packer , J E Henderson 著 . 曹俊杰译 . 空心管结构 连接设计指南[M]. 北京:科学出版社 , l997. [6] GBJl7-88. 钢结构设计规范[S]. 北京:中国计划出版 社 , l989. [7] 沈祖炎等 . 钢结构制作安装手册[M]. 北京:中国建筑 工业出版社 , l998. 74第 l 期 陈荣毅,等: 大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析 大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析 作者： 陈荣毅， 董石麟， 孙文波 作者单位： 陈荣毅,董石麟(浙江大学空间结构研究中心,浙江杭州,310027)， 孙文波(华南理工大学建 筑设计研究院,广东广州,510640) 刊名： 空间结构 英文刊名： SPATIAL STRUCTURES 年，卷(期)： 2003,9(1) 被引用次数： 20次 参考文献(7条) 1.沈祖炎 钢结构制作安装手册 1998 2.GBJ 17-1988.钢结构设计规范 1989 3.J A Packer;J E Henderson;曹俊杰 空心管结构连接设计指南 1997 4.孙文波 广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨[期刊]-建筑结构 2002(02) 5.陈荣毅;董石麟 广州国际会议展览中心展览大厅钢屋盖设计[期刊论文]-空间结构 2002(03) 6.白正仙;刘锡良 新型空间结构形式-张弦梁结构[期刊论文]-空间结构 2001(02) 7.董石麟 预应力大跨度空间钢结构的应用与展望[期刊论文]-空间结构 2001(04) 本文读者也读过(10条) 1. 陈荣毅.董石麟 广州国际会议展览中心展览大厅钢屋盖设计[期刊论文]-空间结构2002,8(3) 2. 张弦梁结构[期刊论文]-建筑技术2001,32(11) 3. 刘开国 大跨度张弦梁式结构的分析[期刊论文]-空间结构2001,7(2) 4. 王帆.郭正兴 张弦梁设计与施工简介[会议论文]-2002 5. 王友善.王长国.杜星文 薄膜充气梁的皱曲行为分析[会议论文]-2008 6. 梁佶.吴慧.谢忠良.翁恩豪.彭伟贤 张弦梁挑蓬结构的试验研究[期刊论文]-工程设计学报2004,11(4) 7. 陈荣毅.董石麟 大跨度张弦钢桁架的预应力施工[期刊论文]-空间结构2003,9(2) 8. 焦瑜.宋剑波.周晓峰.李亚明.JIAO Yu.SONG Jian-bo.ZHOU Xiao-feng.LI Ya-ming 某张弦梁屋盖结构的设计 与施工[期刊论文]-空间结构2005,11(3) 9. 秦敬伟.杨庆山.谭锋 索桁架结构形态分析及其动力特性研究[会议论文]-2008 10. 徐忠根.杨泽群 一、广州国际会议展览中心施工过程中的应力观测[会议论文]-2006 引证文献(21条) 1.贺拥军.章小桐.周绪红 拉索预应力折线型立体桁架拱布索方案研究[期刊论文]-湖南大学学报(自然科学版) 2011(8) 2.王雪芹.崔松茂 张弦桁架尺寸及预应力优化设计[期刊论文]-烟台大学学报（自然科学与工程版） 2011(1) 3.黄建华.周白.师兵兵 接触单元对短撑杆式张弦桁架静力影响分析[期刊论文]-中国新技术新产品 2010(16) 4.崔松茂.王雪芹 张弦桁架结构施加预应力的ansys模拟[期刊论文]-黑龙江科技信息 2009(28) 5.孔丹丹.丁洁民.何志军 张弦空间结构的构成形式与空间工作机理[期刊论文]-空间结构 2009(2) 6.刘凯.许国祥.陈锦斌 张弦桁架吊挂轻型组合楼盖施工技术的研究[期刊论文]-建筑技术 2009(8) 7.刘凯.聂志华.高维成 带狗骨式调节器的张弦梁结构的设计与施工[期刊论文]-工业建筑 2008(1) 8.孔丹丹.丁洁民.何志军 张弦空间结构的弹塑性极限承载力分析[期刊论文]-土木工程学报 2008(8) 9.刘凯.黄春文.聂志华 张弦桁架吊挂轻型组合楼盖静动力性能的研究[期刊论文]-南昌工程学院学报 2007(6) 10.赵群.刘键.陈金科 应用激光扫描法对国家体育馆大跨度钢屋架滑移过程变形监测与分析[期刊论文]-测绘科学 2007(3) 11.郭莉.付功义 索在杂交结构体系中的应用[期刊论文]-四川建筑科学研究 2006(4) 12.邬喆华 拉索结构的振动控制及受力分析[学位论文]博士后 2006 13.祖青 体内预应力钢屋架结构关键设计参数研究[学位论文]硕士 2006 14.王正光 张弦梁挑篷结构的性能研究[学位论文]硕士 2006 15.王秀丽.刘永周 矢跨比和垂跨比对张弦立体桁架性能的影响分析[期刊论文]-空间结构 2005(1) 16.赵宪波.叶继红 张弦梁(桁架)结构荷载态受力性能分析[期刊论文]-空间结构 2005(2) 17.艾军 平面张弦结构的静力稳定性研究[学位论文]硕士 2005 18.王雪芹 张弦梁结构优化设计[学位论文]硕士 2005 19.何檀 张弦梁结构的设计选型研究[学位论文]硕士 2005 20.刘凯.高维成.刘宗仁 大跨张弦桁架新型施工工艺的理论与现场实测的研究[期刊论文]-建筑结构学报 2004(5) 21.李良.高日 大跨预应力活性粉末混凝土张弦梁结构[期刊论文]-建材技术与应用 2003(5) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kjjg200301009.aspx