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1、张弦桁架结构静力稳定性分析胡白香，黄成，苏波，彭康平，任 鹏( 江苏大学土木工程系，江苏 镇江 212013)摘 要: 考虑结构构件稳定性设计的重要性，结合钢结构设计规范的相关要求，以某体育展馆张弦桁架结构为例，对张弦桁架结构进行特征值屈曲分析，研究了张弦桁架结构的失稳形式，考虑材料非线性进行非线性屈曲分析研 究结构荷载位移全过程工作性能，分析结果可供实际工程参考。关键词: 张弦桁架结构; 失稳形式; 特征值屈曲分析; 非线性屈曲分析中图分类号: TU393 3文献标志码: A文章编号: 1008 1933( 2013) 04 001 03Study on static stability o
2、f truss string structureHU Baixiang，HUANG Cheng，SU Bo，PENG Kangping，EN Peng( Faculty of Civil Engineering and Mechanics，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)Abstract: Considering the importance of structural stability design，combining with requirements of the code for design of steel structures
3、，we took truss string structure of Zhenjiang sports conference exhibition pavilion for example，eigenvalue buckling analysis of the truss string structure was processed to research the instability form，buckling analysis was processed to research the whole process performance of the load-displacement
4、considering the material nonlinearity geometric nonlinear The results would be a reference for projectsKey words: truss string structure; instability form; eigenvalue buckling analysis; nonlinear buckling analysis引言0张弦桁架结构1是一种新型的屋架形式，用于屋盖结构，它是通过撑杆将拱形梁( 桁架) 和高强钢 丝索组合而成的自平衡体系，具有受力合理、自重 轻、构造简单、施工方便等特点。
5、该结构已被广泛地 应用于会展中心、机场航站楼和体育中心。目前对 张弦梁结构的研究主要集中于施工、使用两个阶段 不同受力性能的分析。从国内外已有空间结构的事 故和大量理论实验结果来看，空间结构的破坏多是 由于失稳引起的2-3，因此有必要对张弦桁架结构的 稳定性加以研究和探讨。图 1 体育会展馆钢结构三维模型Fig 1 3-D model of sports club pavilion有限元模型张弦桁架弦杆和腹杆为圆钢管，撑杆为实心圆 钢管，拉索为热镀锌半平行钢丝束。各构件截面尺 寸见表 1、表 2，1 10 榀拉索的张拉力见表 3。2工程概况镇江市体育会展馆屋盖采用张弦桁架结构。张 弦主桁架为正
6、方三角形桁架共计 10 榀，其上下弦杆 最大距 离 为 3 m。 相 邻 两 榀 间 距 ( 轴 线 间 距) 有15. 4 m、16. 2 m、17. 4 m 三种。根据建筑造型张弦 桁架沿短跨布置，最大跨度为 117 m，如图 1 所示。1表 1Table 1张弦桁架屋盖主桁架杆件截面尺寸Section dimensions of the main truss编号( 直径 壁厚)收稿日期: 2012-02-15作者简介: 胡白香( 1964 ) ，女，江苏丹徒人，教授，博士，主要从事 钢结构及智能材料结构的抗震研究。基金项目: 国家自然科学基金项目( 51108210)E mail: bx
7、hu ujs edu cn编号 截面尺寸 / mm( 直径 壁厚)截面尺寸 / mm1 140 62 180 63 180 84 219 85 245 146 273 6 57 273 148 273 169 351 1610 426 1611 500 1612 530 1613 630 162四川建筑科学研究第 39 卷始状态，仅包含结构自重及预应力，激活预应力影响开关( PSTES 命令) 以计算应力刚度矩阵，第二荷 载步在第一荷载步的基础上，逐级施加指定的荷载 组合，以计算各阶特征值和特征向量8-9。张弦桁架 屋盖的前 5 阶特征值以及线性屈服模态见表 4 和如 图 3 所示。表 4 张
8、弦桁架屋盖前 5 阶特征值表 2 张弦桁架屋盖撑杆及拉索截面尺寸Table 2 Section dimensions of brace rods and cables编号截面尺寸 / mm( 直径 数量)备注83( 内径)14撑杆 15 120 5 ( 外径) 1617187 3377 2657 223拉索 19 7 127 Table 4The first 5 order eigenvalues of roof structure表 3Table 3各榀拉索张拉力Cable tensile force阶数特征值12341 37681 49861 63701 8182编号张拉力 / kN123
9、456789189830703579352935694859476740043321 5 2 0091 10 1934 张弦桁架屋盖建模时，上下弦杆及腹杆采用 BEAM188 单 元，撑 杆 采 用 LINK8 单 元，拉 索 采 用LINK10 单元。拉索密度为 7850 kg / m3 ，弹性模量为1. 95 105 MPa，泊松比为 0. 3，理想弹性材料模型。杆件材料密度为 7850 kg / m3 ，弹性模量为 2. 06 105 MPa，泊松比为 0. 3，进行特征值屈曲分析时，采 用理想弹性材料模型，进行非线性屈曲分析时，采用 理想弹塑性材料模型，屈服强度为 345 MPa4-7
10、。有 限元模型如图 2 所示。图 3 张弦桁架屋盖的前 5 阶线性屈服模态Fig 3 The first 5 modes graphs of the roof structure观察图表可知如下。1)本工程屋盖前 5 阶的屈曲模态均为平面内失稳。主要有两方面的原因: 其一，V 字型撑杆限制了拉索的侧向位移，增强了结构的抗侧刚度; 其二， 屋盖结构主桁架之间采用次桁架连接，为各榀张弦 桁架提供了侧向支撑。图 2 体育会展馆张弦桁架结构有限元模型Fig 2 Finite element model of truss string structure2)就失稳形式而言，结构的前 5 阶屈曲模态均为结
11、构整体失稳，V 型撑杆有效地将拉索与上部结构结合起来，既有效抵抗了结构的侧向失稳，又为屋 盖传递了抵御屋面荷载的向上的支撑力。特征值屈曲分析计算特征值时采用的荷载组合为 1. 2 恒载 +1. 4 活荷载，以集中力方式简化到桁架上弦节点( 40 kN) 。张弦结构中引入了预应力拉索，在结构建造 过程中经历了一个张拉成形阶段，结构的几何位形 和刚度也发生了较大的改变，可将之区分为初始态 和荷载态。为了模拟结构的实际受力情况，在 AN- SYS 中采用两个荷载步来实现。第一荷载步模拟初34非线性屈曲分析特征值屈曲分析一般用于预测理想弹性结构的理论屈曲强度，由于初始缺陷和非线性使得很多实际结构的屈曲
12、行为不是在弹性屈曲强度处发生，所 以线性屈曲分析过于保守，一般不用于实际的工程 分析中。特征值屈曲分析无法描述结构的荷载胡白香，等: 张弦桁架结构静力稳定性分析32013 No. 4位移全过程工作性能，也无法描述结构屈曲后性能，只用于预测屈曲荷载的上限，了解屈曲形状。而结 构的稳定承载能力是由其屈曲后性能所决定的，所 以，了解荷载位移全过程对结构的整体稳定性 分析十分有必要。模拟过程中结构的屋面荷载仍以 集中力方式简化到桁架上弦节点并以每级 20 kN 逐 级增大到 400 kN。选取 10 榀主桁架中的 3 榀作为分析对象，6 # 桁 架跨度为 117 m，9 # 桁架跨度为 75 m，10
13、 # 桁架跨度 为 58 m，如图 2 所示。图 4 为 3 榀主桁架跨中上弦 杆应力曲线。图 5 为 3 榀主桁架跨中上弦杆的平面 内竖向位移，图 6 为 3 榀主桁架跨中上弦杆的平面 外位移。位移随着荷载的增大呈线性增长。当荷载增大到200 kN 时，6 # 、9 # 主桁架跨中上弦杆开始屈服，此后 由于上弦构件塑性区域的发展，荷载增加时，结构刚 度有所下降，平面内外位移随荷载增长的速率有所 增大，主桁架已进入弹塑性工作阶段。当荷载增大 到 320 kN 时，6 # 、9 # 平面内外位移迅速增大，结构失 稳破 坏。10 # 主 桁架在整个荷载增大过程中荷 载位移呈线性增长。对比 3 榀主
14、桁架，6 # 、9 # 在320 kN 时破坏，而 10 # 跨中上弦杆截面最大应力只269 MPa，从图 3 可知，10 # 主桁架为边跨，跨度比 9 # 略小，侧向支撑多，侧向支撑能有效增强张弦桁架的 稳定9-11。结论5本文结合实际工程运用 ANSYS 有限元对张弦桁架结构进行稳定分析，得到以下结论。1) 结构的前 5 阶屈曲模态均为平面内整体失 稳。2)在杆件没有进入塑性之前，结构刚度较大，而随着杆件大面积进入塑性，材料软化造成刚度总体呈减弱趋势，直至最终发生失稳。结构的破坏荷 载远大于设计荷载，有足够的强度储备。3) 侧向支撑能有效增大张弦桁架的稳定。参 考 文 献:图 4 6# 、
15、9# 、10# 主桁架上弦杆应力Fig 4 Stress of chord members ( 6# 、9# 、10# truss)1SaitohMasao，Toslya Kurasiro A Study on Structural Behaviors ofBeam String StructureJ Summaries of Technical Papers of An- nual Meeting Architectural Insitute of JaPan，B1 1985: 280-284( in Japanese) 陈荣毅，董石麟，孙文波 大跨度预应力张弦桁架结构的设计 与分析J 空间
16、结构，2003，9( l) : 45-47白正仙，刘锡良，李义生 单榀张弦梁结构各因素的影响分析J 钢结构，2001，16( 3) : 42-46 GB500172003 钢结构设计规范S仁 重 ANSYS 实用分析教程M 北京: 北京大学出版社，2003冯 虹，施 雄 宝钢游泳馆拱形张弦梁结构稳定分析J 四 川建筑科学研究，2008，34( 3) : 14-16 钟宏伟，刘尚伦，孔正义，等 强震下张弦桁架结构的动力变形 性能分析J 钢结构，2011，26( 3) : 6-9孔丹丹 张弦空间结构的理论分析与工程应用D 上海: 同 济大学，2007: 67-68张晓光，何 诚，黄 涛，等 某体育
17、场钢结构屋盖稳定及静力 弹塑性性能分析J 结构工程师，2009，25( 4) : 7-102图 5 6# 、9# 、10# 主桁架跨中上弦杆节点平面内竖向位移Fig 5 Plane vertical displacement curve of nodes( 6# 、9# 、10# truss)3456789图 6 6# 、9# 、10# 主桁架跨中上弦杆节点平面外位移Fig 6 Out-of-plane displacement curve of nodes( 6# 、9# 、10# truss)10 熊 伟 大跨度张弦桁架形态优化及竖向抗震设计方法研究D 西安: 西安建筑科技大学，2005: 91-9911 曾 莹，罗永峰，沈祖炎，等 浦东机场航站楼 Y 型柱对屋盖整 体稳定影响分析J 空间结构，2010，16( 1) : 66-70外荷载小于 200 kN 时，上弦杆应力及平面内外