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1、例题4 张弦结构分析例题. 张弦结构分析概要此例题将介绍利用midas Gen做张弦结构分析的整个过程，以及查看分析结果的方法。该例题的建模部分可以参见midas Gen初级培训的网架建模步骤，这里不再做介绍。通过该例题希望用户能够了解做张弦结构分析的一般步骤和过程，重点是让用户了解在midas Gen中施加和调整索单元张拉力的方法、几何非线性分析的设置及如何对带有索单元的结构进行弹性反应谱分析。张弦结构概述张弦结构是将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系，是一种大跨度预应力空间结构体系。张弦结构上弦刚性构件可以是实腹式梁，也可以是格构式桁架，据此对不同的张弦结构可
2、称作张弦梁或张弦桁架。本例题中介绍的模型使用张弦桁架。张弦结构的特点张弦结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的桁架或梁而使体系的刚度和稳定性大为增强。对张弦结构中索施加一定的预拉力，这既可使索具有适当的初始绷紧度，也可对索与桁架或梁之间的受力比例进行必要调整；既充分发挥了索的抗拉能力，又调整了桁架或梁的内力分布（使桁架或梁中的内力分布趋于均匀）张弦结构的形态定义张弦结构像悬索结构等柔性结构一样，根据张弦结构的加工，施工及受力特点，通常将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态三种。（1）：零状态零状态是拉索张拉的前状态，实际上是指构件的加工和放样状态，通常也称结构放
3、样态。当索张拉完毕后，结构上弦构件的形状将发生偏离，从而不能满足建筑的要求，因此，张弦结构上弦构件的加工放样要考虑这种索张拉后带来的变形影响，这是张弦结构要进行零状态定义的原因。（2）：初始态初始态是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态，通常也称预应力态。初始态是建筑施工图中所明确的结构外形。（3）：荷载态荷载态是外荷载作用在初始态结构上发生变形后的平衡状态。张弦桁架在midas中的计算此例题的分类及各自的步骤如下:一、已知索单元初拉力的情况下，求索单元的拉力变化及结构的变形。1. 简介2. 设定操作环境及定义材料和截面3. 建立张弦梁一个锥体4. 形成张弦网架5. 定义边界条件6. 输入各种荷
4、载7. 定义几何非线性分析控制数据8. 运行分析9. 查看结果二、对带有索单元的结构进行反应谱分析1. 索单元拉力添加（即对索单元进行张拉）2. 运行分析并查看结果 一.已知索单元初拉力的情况下，求索单元的拉力变化及结构的变形 1.简介本例题张弦桁架的几何形状、边界条件以及所使用的构件如图1所示。边界条件设定为一端铰接，另一端为滑动支座。本例题中荷载只考虑自重、屋盖作用恒荷载、活荷载、索的初拉力。(本例题数据仅供参考) 本例题基本数据如下： 上（下）弦主梁：P29914 腹杆：P1528 上弦支撑：P1216 撑杆：P1598 拉索：D100（预应力索） 钢材：Q345 上弦梁圆弧半径：R=1
5、68m；上下弦距离：1.8m注意：进行几何非线性分析时，需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结果，必须将该荷载组合作为一个工况进行非线性分析，查看该工况的结果。不能象弹性分析时，直接查看分析后几种单独工况的线性组合结果。 荷载工况 1 自重 荷载工况 2 屋面恒荷载 10kN （节点荷载） 荷载工况 3 屋面活荷载 5kN （节点荷载） 索初拉力 770kN 轴侧图平面图立面图 图1 分析模型 2.设定操作环境及定义材料和截面在建立模型之前先设定环境及定义材料和截面1. 主菜单选择 文件新项目2. 主菜单选择 文件保存: 输入文件名“平板网架”并保存3. 主菜单选择 工具设置单位系
6、: 长度 m, 力 kN 图2 定义单位体系注：也可以通过程序左侧树形菜单“模型材料和截面特性材料”来定义材料。同样，其他操作也可通过左侧树形菜单实现。4主菜单选择 特性材料材料特性值添加：定义Q235钢材 材料号：1 名称：Q345 设计类型：钢材 规范：GB03(S) 数据库：Q345 材料类型：各向同性点击确认按钮图3 定义材料5主菜单选择 特性截面截面特性值添加：定义上弦、下弦和腹杆、柱截面尺寸 图4 定义截面 3.建立张弦梁一个锥体注：快捷键可通过主菜单“工具用户自定义自定义键盘”实现。1主菜单选择 节点/单元节点建立节点（快捷键Ctrl+Alt+1）建立节点1（0,1,0），2（0
7、,-1,0），3（0,0,-1.8）2主菜单选择 节点/单元单元扩展（快捷键Alt+5）选中节点1、2，输入相应参数，如图5所示选中节点3，输入相应的参数，如图6所示3主菜单选择 节点/单元单元建立单元（快捷键Alt+1） 选择材料为Q345，截面P1528，桁架单元，连接（1,6）、（2,6）、（4,6）、（5,6）；选择材料为Q345，截面P1216，桁架单元，连接（1,2）、（4,5）、（1,5）；删除多余节点及杆件，如图7所示 图5 扩展节点1、2 图6 扩展节点3 图7 删除多余节点及杆件4.形成张弦网架1主菜单选择 节点/单元单元旋转选中需旋转单元，设定旋转参数，如图8所示 图8
8、旋转依次锥体2主菜单选择 节点/单元单元建立单元补充建立上弦支撑及下弦主梁，如图9所示（注意单元类型） 图9 补充建立单元 3主菜单选择 节点/单元单元旋转利用1、2步骤方法，建立右侧张弦梁网架，如图10所示图10 旋转单元 4主菜单选择 节点/单元单元建立单元利用相对坐标，建立端部短竖杆，利用两点方式建立其他单元利用相对坐标，建立撑杆，撑杆长度依次为0.5m，2.7m，4.3m，5m（数值仅供参考）利用两点建立预应力拉杆（不勾选交叉分割，注意单元类型、材料和截面），如图11所示5. 主菜单选择 节点/单元单元镜像全部选中，输入镜像参数，如图12所示镜像完成后补充建立缺少的张弦拉杆及下弦主梁
9、图11 建立其他构件 图12 镜像单元 5.定义边界条件1主菜单选择 边界边界一般支承定义张弦梁边界条件，一边为铰接、一边为滑动支座，如图13所示图13 边界条件 6.输入各种荷载设定荷载工况，输入自重、屋面恒荷载、屋面活荷载。 1主菜单选择 荷载建立荷载工况静力荷载工况 定义恒载DL，活载LL，预应力，空工况四种荷载工况 图14 定义荷载工况 2. 添加恒载、活载 主菜单选择 荷载静力荷载结构荷载/质量节点荷载选择上弦节点，选择荷载工况DL输入FZ荷载值-10kN（注意单位），恒载就加上 去了。利用前次选择，同样操作，选择荷载工况LL，输入FZ荷载值-5。 图15 施加节点荷载3.由荷载组合
10、建立荷载工况 主菜单选择 荷载建立荷载工况使用荷载组合在使用非线性分析的时候，需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结果，必须将该荷载组合作为一个工况进行非线性分析，查看该工况的结果。分析结束后，将不同的荷载工况分别乘以不同的组合系数进行叠加组合的方法，只适合于线弹性的分析。midas Gen中可以通过“荷载建立荷载工况使用荷载组合”将某一（多）荷载组合生成一（多）种荷载工况，再利用该工况进行分析。本例题中，假设需要查看的是在1.2倍恒荷载（包括自重）和1.4倍活荷载（即 1.2D+1.4L）组合下的结果。注意：使用该功能的时候，程序只将荷载组合中原来各个工况已经添加的荷载复制到新建
11、的工况中，但是原来工况中在使用该功能后添加的荷载，程序不会自动复制。具体步骤为：a. 结果组合荷载组合，定义1.2D+1.4Lb. 荷载静力荷载建立荷载工况使用荷载组合，将定义的1.2D+1.2L荷载组合移动至右侧，点击适用即可。该功能可以批量由荷载组合建立荷载工况。例如在本例题中，如果在利用该功能生成了新的名为“1.2D+1.4L”的荷载工况后，又在“D”荷载工况中，添加了新的恒荷载，那么，新添加的恒荷载不会自动的复制到“1.2D+1.4L”的荷载工况中，需要利用该功能再手动生成一次。图16 由荷载组合生成荷载工况4.添加索单元的初拉力在midas Gen中，进行几何非线性分析（大位移）分析
12、时，给索单元加初拉力的方法有三种：1、 荷载初始荷载/其它初始荷载大位移几何刚度初始荷载，2、 在建立单元的时候，“单元类型”选择为索单元时，使用无应力长度“Lu”或者直接加“初拉力”，3、 荷载温度/预应力预应力初拉力方法一施加的初拉力相当于内力。这可以用以下两点来理解：一是该力不属于任何荷载工况。在查看某一荷载工况下的索单元内力时，显示的数值为该荷载工况作用下索单元内力和索中初拉力两者的合力。二是它只作用在施加了力的索单元上，在分析时该方法加的初拉力只影响索单元的刚度，不会对结构中其它构件产生内力或者位移。（添加一个空工况，即只给工况类型，不添加任何属于该类型的荷载值，分析后可以看到空工况
13、作用下结构中不产生位移，只有索单元有内力，其余构件的内力为零。）几何刚度初始荷载提供的是刚度，而不是外力，外力是会对整个结构产生影响的。可以这样理解，在进行几何非线性分析的时候，索其实相当于桁架，只是在每一步迭代时，索单元内的拉力会不断变化，索单元的刚度也在不断变化，索单元就好比是一根截面在不断变化的桁架单元。 使用建立单元的时候添加初拉力和添加初拉力荷载的方式给索单元施加张拉力，对结构的作用是一样的，即在张拉力和相同的外荷载作用下，结构的反应是一样的。只是二者的用途稍有不同，方法二比较直接，但是不适合做分批张拉索的施工阶段分析，方法三则适用于施工阶段分析。 在只使用“初拉力荷载”给索添加初拉
14、力的时候，分析时有时候会提示错误或者不收敛，此时，可以添加一个较小的“几何刚度初始荷载”，这样分析的时候容易收敛，对索单元的内力影响也不大。方法二、三施加的初拉力相当于外力。它们的共同点是都会对结构中的其它构件产生影响，带来位移及内力。但是两者又有不同，最主要的不同是：建立索单元的时候添加的初拉力，既是外力，同时还影响索单元在计算时候的初始刚度；而使用“初拉力荷载”添加的初拉力，只是外力，不影响索单元在计算时候的初始刚度。另外二者还有以下的不同：方法二施加的初拉力，不需要设定为荷载工况，在计算后，查看某工况下的结构内力时，得到的结果是该工况和初拉力共同作用的结果。（可以在模型中添加一个空工况，
15、分析后可以看到该工况下，结构中会产生位移，除了索单元有内力外，其余构件也会有内力。）在分析时该方法加的初拉力既影响索单元的初始刚度，又对其它构件产生内力。工程中，如果需要模拟张拉索单元后，考虑其它构件中也带有内力的情况，可以使用该方法添加初拉力，然后可以进行结构在其它工况的荷载作用下的非线性分析。方法三需要设定初拉力为某一荷载工况，当需要查看另外一个工况和初拉力共同作用的结果时，要将二者放在同一个工况内，进行非线性计算。在需要考虑施工过程（例如分批张拉索单元）的时候，可以采用这种方法施加初拉力并设定施工阶段进行分析。midas Gen施工阶段的定义可参考相关例题。在本例题中，使用建立索单元的时
16、候添加初拉力的方法。如图17主菜单选择 节点/单元单元建立单元。单元类型选择“只受拉/勾/索单元”，选择“索”，使用“水平力”，填入初拉力的值。本模型建立中，采用的桁架单元建立预应力索，可通过主菜单选择 节点/单元单元单元表格；或者选择索单元，在模型窗口点击右键， “单元单元详细表格”。在表格中修改单元类型及索的初拉力值；也可通过修改单元类型实现。本例采用修改单元类型方法，如图18。 图17 单元消息表格 图18 修改单元类型7.定义几何非线性分析控制数据主菜单选择 分析分析控制非线性设定几何非线性的分析，选择计算方法、加载步骤数量、子步骤内迭代次数，选择收敛条件。 添加“非线性分析荷载工况”
17、，则对该工况使用单独设定的计算方法及加载步骤数量，其余的荷载工况使用“计算方法”中设定的参数。 如果不定义“非线性分析荷载工况”，则“计算方法”中设定的参数对所有工况都适用。 图19 非线性分析控制数据 8.运行分析主菜单选择 分析运行运行分析 运行分析后，注意信息窗口里面的提示，如果有不收敛，如图20所示，需要调整“非线性分析控制数据”里面的有关参数。 （分析时，注意信息窗口提示，若窗口提示“错误 在几何非线性分析中不能计算层中心、层剪力。请修改建筑物控制数据”，在结构建筑控制数据中所有选项均不勾选） 图20 信息窗口的提示 9.查看结果 通过“主菜单选择 结果结果变形位移等值线”、“主菜单
18、选择 结果结果 内力桁架单元内力”，可以图形方式查看结构的位移、桁架及索单元的内力。 如图21、图22。 通过“主菜单选择 结果表格结果表格索单元内力”、“主菜单选择 结果 表格结果表格索单元布置”，可以表格方式查看索单元的内力及有关信息。 如图23、图24。 也可以通过“主菜单选择 结果表格结果表格桁架单元内力”、“主菜单 选择结果表格结果表格桁架单元应力”，在“选择类型”中选择“只受拉 桁架单元”，点击，也可以查看索单元的内力、应力。 如图25、图26。 图21 以图形方式显示结构的位移 如果只想显示结构中部分单元的内力数值，而其它的构件又要同时显示出来时，可以单击“显示选项”按钮，选择“
19、绘图”下面的“被钝化的目标”，在右边的“选择值”中勾选“显示单元、节点”。 图22 以图形方式显示索单元的内力 图23 以表格方式显示索单元的内力 图24 显示索单元的信息 图25 以表格方式显示索单元的内力 图26 以表格方式显示索单元的应力 二.对带有索单元的结构进行反应谱分析各类荷载的添加、设定反应谱及工况本例题不再重复叙述，可以参见其它学习例题。1.索单元拉力的添加在对带有索单元的结构进行反应谱分析的时候，注意到反应谱分析属于弹性分析，索单元在分析时等代成桁架单元参与计算。此时对于索单元初拉力的添加方法是：主菜单选择 荷载静力荷载初始荷载小位移初始单元内力。如图27。关于 荷载静力荷载初始荷载小位移 的使用，可以参加 midas Gen 的在线帮助中的说明。定义质量（自重转换为质量、将荷载转化为质量） 图27 初始单元内力2.运行分析并查看结果本例题中，在这里我们只显示查看振型及周期。其余结果的查看，可以参考其它例题。通过“主菜单选择 结果模态振型周期与振型”，可以图形方式查看各振型的形状，第一振型如图28所示。通过“主菜单选择 结果表格结果表格周期与振型”，可以表格方式查看各振型的周期、振型参与质量等结果。图28 振型模态图形结果