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摘要：本文對張弦梁雙索結(jié)構(gòu)在預(yù)拉力狀態(tài)、正常使用狀態(tài)以及承載能力極限狀態(tài)下張弦梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和撓度進(jìn)行了ANSYS有限元分析。鋼結(jié)構(gòu)采用Beam188單元，拉索采用Link10單元，根據(jù)大撓度分析理論，給出了在最不利荷載組合下的分析結(jié)果，為張弦梁雙索結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一定的參考價值。...

張弦梁雙索結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用

張鵬   沈林鳳     何偉

(陜西省建筑科學(xué)研究院  陜西西安)

    一、工程概況

    本工程位于西安市高新區(qū)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受力方向采用φ14拉索，雙索結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方向采用φ12拉索。張弦梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行，采用大撓度計算理論，鋼結(jié)構(gòu)采用Beam188 單元，拉索采用Link10 單元。

   2、雙索結(jié)構(gòu)許用撓度：取L/200，張弦梁結(jié)構(gòu)許用撓度：取L/250。

   3、雙索結(jié)構(gòu)受力索和穩(wěn)定索端部約束：Ux、Uy、Uz

   張弦梁結(jié)構(gòu)右邊約束：Ux、Uy、Uz

   張弦梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型及約束示意圖

    三、結(jié)構(gòu)分析

    1、荷載組合

    經(jīng)分析可知，最不利荷載組合如下：

   （1）預(yù)拉力狀態(tài)：（式中Pre 指預(yù)拉力）

    COMB1： 1.0×Pre

    COMB2： 1.0×Pre+ 1.0×GK（張弦梁結(jié)構(gòu)）

   （2）正常使用狀態(tài)：（式中Pre 指預(yù)拉力）

COMB3：1.0×Pre+ 1.0×GK +1.0 ×LIVE

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

    2、預(yù)拉力狀態(tài)拉索預(yù)張力：（N）

表1  預(yù)拉力狀態(tài)拉索預(yù)張力一覽表

3、正常使用極限狀態(tài)撓度及校核

圖2  COMB3 組合下，結(jié)構(gòu)最大位移

                 

圖3  COMB3 組合下，張弦梁結(jié)構(gòu)最大位移

   （1）張弦梁結(jié)構(gòu)撓度校核：

    由圖2的分析結(jié)果可知,在正常使用極限狀態(tài), 張弦梁結(jié)構(gòu)最大位移為38.438mm，張弦梁結(jié)構(gòu)跨度為15600mm,校核：μ1/L1=38.438/15600=1/405＜1/250結(jié)論:撓度滿足。

   （2）雙索撓度校核：

    由圖3的分析結(jié)果可知,在正常使用極限狀態(tài)，結(jié)構(gòu)最大位移出現(xiàn)在雙索結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)最大位移為μ=43.3mm，雙索最大位移處張弦梁結(jié)構(gòu)變形量（即索支座位移量）為38.4 mm，那么雙索結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)論:撓度滿足。

    4、承載能力極限狀態(tài)軸力及校核

圖4  COMB4 組合下，φ12 拉索最大內(nèi)力(N)

(1)φ12 拉索強(qiáng)度校核：

由圖4的分析結(jié)果可知,在承載能力極限狀態(tài)，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(shè)計值為:98.7/1.8=54.8 kN，校核: 11.324 kN＜54.8 kN，結(jié)論:強(qiáng)度滿足。

    （2）φ14 拉索強(qiáng)度校核：

由圖5的分析結(jié)果可知,在承載能力極限狀態(tài)，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(shè)計為:134.35/1.8=74.6kN，校核: 32.223 kN＜74.6 kN ，結(jié)論:強(qiáng)度滿足。

    （3）φ22 拉索強(qiáng)度校核：

     由圖6的分析結(jié)果可知,在承載能力極限狀態(tài)，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(shè)計為:325.02/2.5=130kN，校核: 111.255kN＜130 kN  結(jié)論:強(qiáng)度滿足。

圖7 COMB4 組合下，φ127X7 鋼管應(yīng)力云圖

圖8 COMB4 組合下，φ50X5 鋼管應(yīng)力云圖

（4）φ127X7 鋼管強(qiáng)度校核

由圖7可知：鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為66.5N/mm2，本工程采用Q235 鋼材，Q235 鋼材許用應(yīng)力值為215 N/mm2。因此，φ127X7 鋼管強(qiáng)度滿足要求。

   （5）φ50X5 鋼管強(qiáng)度校核

    由圖8可知：鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)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(qiáng)度為205 N/mm2，許用應(yīng)力為178 N/mm2。因此，φ50X5 鋼管強(qiáng)度滿足要求。

    5、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件長細(xì)比計算及校核

    受壓構(gòu)件容許長細(xì)比：

    a: 幕墻結(jié)構(gòu)體系鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓構(gòu)件的容許長細(xì)比取150；

    b: 桁架中的特殊的受壓腹桿，當(dāng)其內(nèi)力等于或小于承載力的50%時容許長細(xì)比可取200。

表2  張弦梁結(jié)構(gòu)及雙索結(jié)構(gòu)構(gòu)件計算長度及長細(xì)比校核表

構(gòu)件名稱	截面規(guī)格	面內(nèi)/面外	最大計算長度 （mm）	回轉(zhuǎn)半徑 (mm)	長細(xì)比	校核
主鋼管	φ127X7	面內(nèi)	1560	42.5	37	滿足
		面外	1560	42.5	37	滿足
支撐桿	φ50X5	面內(nèi)	1300	16	81.25	滿足
		面外	1300	16	81.25	滿足

    四、結(jié)論

    根據(jù)有限元分析結(jié)果可知：

    1、在正常使用極限狀態(tài)下，張弦梁結(jié)構(gòu)及雙索結(jié)構(gòu)撓度滿足規(guī)范規(guī)定的允許撓度值；

    2、在承載能力極限狀態(tài)下，φ12、φ14、φ22拉索以及φ127X7鋼管、φ50X5鋼管的強(qiáng)度均滿足設(shè)計要求；

    3、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件φ127X7鋼管及φ50X5鋼管的長細(xì)比滿足規(guī)范要求。

    本文采用ANSYS有限元軟件，對張弦梁雙索結(jié)構(gòu)在預(yù)拉力狀態(tài)、正常使用狀態(tài)以及承載能力極限狀態(tài)下張弦梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和撓度進(jìn)行了有限元分析，為張弦梁雙索結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一定的參考價值。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會   文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯   劉真 文徑 審核)

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