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1、精品论文影响斜拉结构静力性能的布索位置研究林珑 厦门市经纬建筑设计有限公司，福建厦门（361004） E-mail：摘要：斜拉结构是张弦梁结构的一种演变，二者都属于预应力钢结构。预应力钢结构是钢 结构领域的一个新体系，可以创造新颖的钢结构形式和独特的建筑风格。将预应力引入钢结 构，可以充分发挥材料强度潜力，减少用钢量，同时还可以改善结构构件受力状态，降低应 力峰值,增大结构刚度和稳定性，改善结构静、动力特性。本文先介绍了斜拉结构的特点， 然后利用 ANSYS 软件对一斜拉结构模型进行分析，通过改变布索位置，分析结构变形和内 力变化规律，得出了一些有益的结论。希望本文能为斜拉结构设计人员提供一些
2、参考和帮助。 关键词：斜拉结构；预应力；结构变形；结构内力中图分类号：TU3941. 引 言斜拉结构的结构形式是由张弦梁结构演变而来的1。张弦梁结构（Beam String Structure,简称 BBS）中的张弦梁由下弦索、上弦梁和竖腹杆 组成，索为受拉、杆为受压的二力杆，上弦梁为压弯杆件。通过拉索的张拉力，使竖腹杆产 生向上的分力，导致上弦梁产生与外荷载作用相反的内力和变位，以形成整个张弦梁结构及 提高结构刚度，通常情况下下弦索为一向下的圆弧线（实际上为折线多边形）。为保证结构 平面外的稳定性，一般在屋面设置支撑体系。设计时宜采用多阶段设计，分析计算时应考虑 几何非线性影响。需在支座处采
3、取必要的暂时或永久的构造措施，在预应力及外荷载作用下（指自重等屋面荷载作用下）形成自平衡体系，不产生水平推力。 如将张弦梁结构中的下弦索上移，使其部分或全部位于梁之上，再增加柱及撑杆，则张弦梁就会从一个自平衡构件演变成一种结构体系斜拉吊挂结构4。斜拉吊挂结构由梁、柱、 拉索和撑杆组成。梁可以是直梁或拱，可采用实腹式或空间桁架式截面。斜拉吊挂结构主要有以下特点5：（1）拉索对梁提供弹性支撑，使结构能实现更大跨度。（2）通过张拉拉索，使结构起拱，可抵消部分使用荷载产生的挠度，减小结构变形。但 拉索的预应力值应保证结构在各种可能的荷载作用下拉索不失效。（3）屋面应设置支撑体系以保证斜拉吊挂结构的平面
4、外的稳定性。（4）拉索的布置及预应力的取值在满足结构刚度情况下，尽可能降低对柱产生的轴力及 附加弯矩。2.模型简介及结构静力性能研究本文分析模型为一室内运动场，结构形式为斜拉桁架钢结构，跨度为 60m，建筑高度 为 18m。竖向及横向水平受力体系为拉索桁架，纵向受力体系为组合桁架；屋盖体系由连系 桁架与水平柔性支撑组成。一榀拉索桁架由空间桁架柱、空间桁架梁、悬臂撑杆及拉索体系 四个部分组成6。空间桁架柱主要承担竖向荷载和水平荷载（风载、地震荷载）。空间桁架 梁主要承担屋面荷载并把它传给空间桁架柱。悬臂撑杆主要是对拉索起支撑作用，并满足建 筑造型需要（详图 1图 3）。- 4 -2.1 预应力分
5、布及取值原则预应力分布及取值原则是由为提高结构承载力或提高结构的刚度或者是二者兼顾来决 定的2、3。在经常性荷载作用下,承重索与稳定索 1 的合力与柱轴线重合,即尽可能减小预应 力索在水平方向产生合力影响。预应力的取值原则如下：（1）加的预应力大小应满足使各构件形成完整结构的整体刚度要求。（2）预应力值还必须保证结构在各种可能的荷载工况作用下，预应力索不失效。 在满足以上两个条件的前提下预应力水平应该是越低越好，因为预应力结构有形成内部平衡力系的特点，超预应力不仅无用，还会使一些受压杆件受力及基础拉（压）力过大，使 结构不经济。同时较高的预应力水平有可能带来一系列的副作用，增加施工难度。2.2
6、 改变布索位置对结构静力性能的影响对所建模型进行静力性能研究，考虑 6 种荷载作用：预应力；结构自重；梁上均 布恒载，取 30kN/m；梁上均布活载,取 15kN/m；悬吊荷载,取 25kN；风荷载，迎风面 取 10 kN/m，背风面-6kN/m，按左风加载。本文采用有限元程序 ANSYS9.0 对模型进行弹塑 性大挠度分析，其中梁柱单元采用梁单元 BEAM188，索单元采用 LINK10。预应力的施加 采用初应变加载模拟。分析时，拉索位置 a 分别取：6.0m、12.0m、15.0m、21.0m、24.0m、30.0m，如图 1。 拉索初应变取 200/1.8E5，采用工况：预应力结构自重恒
7、载，对结构进行分析。得出通 过改变拉索位置 a 的结构的变形与内力（表 1）。图 1 布索位置示意图Fig1 The schematic drawing of the position of cables图 2 空间桁架梁图 3 空间桁架柱Fig2 Space truss-beamFig3 Space truss-column2.2.1对结构变形的影响从表 1 及图 4 中可以看出，拉索位置距柱最近（a=6.0m）时,柱顶水平位移最小而梁跨 中竖向位移最大。这说明索吊点越接近梁支座，越不能发挥索的作用。拉索位置在梁跨 1/2 处（a=30.0m）时,柱顶水平位移最大，梁跨中竖向位移也较大。拉索
8、位置在梁跨 7/20 处（a=21.0m）时,柱顶水平位移适中而梁跨中竖向位移最小。以上分析表明索吊点最佳位置应 在梁跨 1/42/5 的处。表 1 结构变形与内力Tab.1 Deformation and internal force of structure拉索变形(mm)内力(kN)位置 a(m)梁跨中 竖向位移柱顶水 平位移S 拉力(kN)S1 拉力(kN)S2 拉力(kN)柱轴力(kN)梁跨中弯 矩(kNm)6.0239.515.0745.5560.2375.21920411812.0146.923.3647.2646.3426.71979277415.0127.825.5620.8
9、668.4444.12056222521.0126.529.8595.0700.3471.42069122224.0140.932.0588.2713.9483.5213379730.0193.036.1583.7743.7510.621902412300250位移（mm）200150100500梁跨中竖向位移柱顶水平位移5101520253035拉索位置a（m）图 4 拉索位置-位移关系曲线Fig4 The position of cablesdisplacement curve2.2.2对结构内力的影响800索拉力（kN）700承重索 稳定索1稳定索26005004003005101520
10、253035拉索位置a（m）图 5 拉索位置-索拉力关系曲线Fig5 The position of cablesthe cable tensile force curve从图 5 至 7 中可以看出，拉索位置距柱最近（a=6.0m）时,承重索拉力及梁跨中弯矩最大而稳定索 1、2 拉力及柱轴力最小。拉索位置在梁跨 1/4 处（a=15.0m）时,稳定索 1、2 拉 力适中。拉索位置在梁跨 2/5 处（a=24.0m）时,梁跨中弯矩最小。拉索位置在梁跨 1/2 处（a=30.0m）时, 承重索拉力较小，稳定索 1、2 拉力及柱轴力最大。2300柱轴力（kN）2200210020001900510
11、1520253035拉索位置a（m）5000400030002000梁跨中弯矩（kN.m）100005152535拉索位置a（m）图 6 拉索位置-柱轴力关系曲线图 7 拉索位置-梁跨中弯矩关系曲线Fig6 The position of cablesthe axial forceFig7 The position of cablesthe moment in of column curvethe middle of the beam span curve3.结论通过对所选斜拉结构模型进行静力分析，分析结果表明，拉索位置对结构性能有很大影 响，不仅对结构变形及内力分布起重要作用，而且关系着结构
12、材料强度是否能充分发挥，直 接影响到结构的经济性。如果选取位置不合适，拉索不仅不能发挥作用还会增大结构的内力。 因此，吊点的位置应根据结构变形和内力变化情况综合确定。所确定的度应满足使结构具有 一定的刚度，变形满足规范要求，材料强度得到充分发挥，基础拉（压）力合理。参考文献1 陆赐麟.预应力钢结构发展 50 年J.钢结构,2000(4)2 陆赐麟,尹思明,刘锡良.现代预应力钢结构M.北京:人民交通出版社,2003 3 陆赐麟,尹思明.预应力钢结构空间结构体系J.钢结构,2000,15(49)4 熊学玉.体外预应力结构设计M.北京:中国建筑工业出版社,20055 沈世钊.大跨度空间结构的展望回顾
13、与展望J.土木工程学报,第 31 卷第 3 期6 陈荣毅,董石麟,孙文波.大跨度张弦桁架结构的设计与分析J.空间结构,2003,9(3)Research of the Cables Position which Affect theCable-stayed Structure PerformanceLin LongXiaMen JingWei Architectural Design Co., Ltd.XiaMen (361004)AbstractCable-stayed structure is an evolution of beam string structure, the two a
14、ll belongs to the pre-stress steel structure. Prestressed steel structure is a new system in the steel structures field，it could createnew styles of steel structure and unique architectural styles.Introducing prestress into steel structures can make full use of material strength,reduce the consumpti
15、on of steel,improve the mechanics behavior of structutal members,debase the stress peak value,and enhance structural stiffness and stability,improve the static and dynamic characteristics of the structure.The paper introducing the characteristics of Cable-stayed structure first and analyzing a model
16、 of cable-stayed structure by ansys software,through change the cables position which influence the deformation and internal force obtains the change rule of the deformation and internal force and some beneficial conclusions. The paper will be providing some references and helps to designer of Cable-stayed structure.Keywords: Cable-stayed structure; pre-stress; deformation of structure; internal force of structure