張弦梁雙索結構有限元分析及應用

張鵬   沈林鳳     何偉

(陜西省建筑科學研究院  陜西西安)

    一、工程概況

    本工程位于西安市高新區為框架剪力墻結構，主樓地上十二層，地下一層，裙樓地上五層，地下一層。裙房屋面采用張弦梁雙索結構玻璃采光頂，高度20.0m，長40.5m，寬16.2m。玻璃采用中空夾層鋼化玻璃，總厚度20mm。雙索結構受力方向采用φ14拉索，雙索結構穩定方向采用φ12拉索。張弦梁結構主鋼管采用φ127X7 熱軋無縫鋼管（Q235）， 支撐桿采用φ50X5不銹鋼管，受力拉索采用φ22 拉索。

    二、計算說明

   1、采用ANSYS 12.0 軟件進行，采用大撓度計算理論，鋼結構采用Beam188 單元，拉索采用Link10 單元。

   2、雙索結構許用撓度：取L/200，張弦梁結構許用撓度：取L/250。

   3、雙索結構受力索和穩定索端部約束：Ux、Uy、Uz

   張弦梁結構右邊約束：Ux、Uy、Uz

   張弦梁結構左邊約束：Uy、Uz

   4、荷載情況

   恒荷載 : 0.5732 kN/m2    活荷載 : 0.5 kN/m2

圖1結構模型及約束示意圖

    三、結構分析

    1、荷載組合

    經分析可知，最不利荷載組合如下：

   （1）預拉力狀態：（式中Pre 指預拉力）

    COMB1： 1.0×Pre

    COMB2： 1.0×Pre+ 1.0×GK（張弦梁結構）

   （2）正常使用狀態：（式中Pre 指預拉力）

COMB3：1.0×Pre+ 1.0×GK +1.0 ×LIVE

   （3）承載能力極限狀態：（式中Pre 指預拉力）COMB4：1.0×Pre +1.35×1.0×GK +1.4 ×0.7×LIVE

    2、預拉力狀態拉索預張力：（N）

表1  預拉力狀態拉索預張力一覽表

3、正常使用極限狀態撓度及校核

圖2  COMB3 組合下，結構最大位移

圖3  COMB3 組合下，張弦梁結構最大位移

   （1）張弦梁結構撓度校核：

    由圖2的分析結果可知,在正常使用極限狀態, 張弦梁結構最大位移為38.438mm，張弦梁結構跨度為15600mm,校核：μ1/L1=38.438/15600=1/405＜1/250結論:撓度滿足。

   （2）雙索撓度校核：

    由圖3的分析結果可知,在正常使用極限狀態，結構最大位移出現在雙索結構，結構最大位移為μ=43.3mm，雙索最大位移處張弦梁結構變形量（即索支座位移量）為38.4 mm，那么雙索結構實際變形量為43.3-38.4=4.9mm ，雙索最大位移處短跨長度為3240 mm。校核:μ/L=4.9/3240=1/661.22≤1/200結論:撓度滿足。

    4、承載能力極限狀態軸力及校核

圖4  COMB4 組合下，φ12 拉索最大內力(N)

   

 

(1)φ12 拉索強度校核：

由圖4的分析結果可知,在承載能力極限狀態，豎向拉索最大拉力F=11324  N=11.324kNφ12不銹鋼拉索最小破斷力Fptk=98.7KN, 承載力設計值為:98.7/1.8=54.8 kN，校核: 11.324 kN＜54.8 kN，結論:強度滿足。

    （2）φ14 拉索強度校核：

由圖5的分析結果可知,在承載能力極限狀態，豎向拉索最大拉力F=32223 N=32.223 kNφ14不銹鋼拉索最小破斷力Fptk=134.35KN, 承載力設計為:134.35/1.8=74.6kN，校核: 32.223 kN＜74.6 kN ，結論:強度滿足。

    （3）φ22 拉索強度校核：

     由圖6的分析結果可知,在承載能力極限狀態，橫向拉索最大F=111255 N=111.255kNφ22不銹鋼拉索最小破斷力Fptk=325.02KN, 承載力設計為:325.02/2.5=130kN，校核: 111.255kN＜130 kN  結論:強度滿足。

圖7 COMB4 組合下，φ127X7 鋼管應力云圖

圖8 COMB4 組合下，φ50X5 鋼管應力云圖

（4）φ127X7 鋼管強度校核

由圖7可知：鋼結構最大應力為66.5N/mm2，本工程采用Q235 鋼材，Q235 鋼材許用應力值為215 N/mm2。因此，φ127X7 鋼管強度滿足要求。

   （5）φ50X5 鋼管強度校核

    由圖8可知：鋼結構最大應力為133.13 N/mm2，本工程采用316不銹鋼管材316不銹鋼管材屈服強度為205 N/mm2，許用應力為178 N/mm2。因此，φ50X5 鋼管強度滿足要求。

    5、鋼結構構件長細比計算及校核

    受壓構件容許長細比：

    a: 幕墻結構體系鋼結構構件受壓構件的容許長細比取150；

    b: 桁架中的特殊的受壓腹桿，當其內力等于或小于承載力的50%時容許長細比可取200。

表2  張弦梁結構及雙索結構構件計算長度及長細比校核表

    四、結論

    根據有限元分析結果可知：

    1、在正常使用極限狀態下，張弦梁結構及雙索結構撓度滿足規范規定的允許撓度值；

    2、在承載能力極限狀態下，φ12、φ14、φ22拉索以及φ127X7鋼管、φ50X5鋼管的強度均滿足設計要求；

    3、鋼結構構件φ127X7鋼管及φ50X5鋼管的長細比滿足規范要求。

    本文采用ANSYS有限元軟件，對張弦梁雙索結構在預拉力狀態、正常使用狀態以及承載能力極限狀態下張弦梁結構的強度和撓度進行了有限元分析，為張弦梁雙索結構結構的設計提供了一定的參考價值。

(本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡設計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)