大跨度拱桁架結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化分析

1、大跨度拱桁架構(gòu)造方案優(yōu)化分析摘要:文章以陜西省榆林市漠海麗江餐飲餐飲中心生態(tài)種植區(qū)的鋼屋蓋構(gòu)造為研究對(duì)象,根據(jù)甲方對(duì)構(gòu)造空間、用鋼量和對(duì)下部構(gòu)造負(fù)荷小的要求,首先用設(shè)計(jì)程序3D3S8.0對(duì)構(gòu)造進(jìn)展了初步設(shè)計(jì),定出了支座間不拉索和桿、拉索和拉桿3個(gè)方案,然后用分析軟件ANSYS研究其桁架靜力和動(dòng)力特性,并計(jì)算了拉索方案預(yù)應(yīng)力的合理取值,計(jì)算結(jié)果說明:拉桿方案的用鋼量、豎向撓度小且施工難度低,因此,工程中采用了拉桿方案。關(guān)鍵詞:張弦拱桁架;索;拉桿;預(yù)應(yīng)力分析;屋蓋構(gòu)造選型1工程概況本工程為陜西省榆林市漠海麗江餐飲餐飲中心生態(tài)種植區(qū)的鋼屋蓋構(gòu)造,屋蓋構(gòu)造主體采用鋼管立體桁架構(gòu)造,跨度60,柱距8.

2、1,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,設(shè)計(jì)使用年限為50年,建筑構(gòu)造的平安等級(jí)為二級(jí),構(gòu)造重要性系數(shù)r0=1.0。根據(jù)GB502232022?建筑構(gòu)造設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)?和GB500112001?建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?的要求,本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,地類別為類,特征周期Tg=0.45s。根據(jù)GB500092001?建筑構(gòu)造荷載標(biāo)準(zhǔn)?的要求,本地區(qū)根本風(fēng)壓:0=0.4kN/2,根本雪壓:S0=0.25kN/2,溫度作用:30。屋面恒荷載:上弦0.60kN/2(不含自重),屋面活載:0.5kN/2。2屋蓋構(gòu)造方案的制定由于甲方要求構(gòu)造外形簡(jiǎn)單、流暢,空間大,且該工程跨度大、體量大,因

3、此選擇合理的網(wǎng)架類型是保證構(gòu)造方案平安經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵。為減少設(shè)計(jì)工程量,利用國內(nèi)成熟管桁架設(shè)計(jì)軟件3D3S8.0近似模擬網(wǎng)架的實(shí)際工作條件?？紤]到建筑和傳力方式的要求,選擇了管桁架的構(gòu)造形式,見圖1。圖1()的構(gòu)造在支座之間不拉索和桿,該構(gòu)造具有強(qiáng)度高,重量輕等良好的力學(xué)性能,構(gòu)造外形簡(jiǎn)單、流暢、空間大、施工難度低、節(jié)約材料等優(yōu)點(diǎn)。圖1()的構(gòu)造在支座之間拉6X37-47.5有機(jī)芯1700(公稱抗拉強(qiáng)度)型鋼絲索。該構(gòu)造可以充分發(fā)揮柔性和剛性兩類材料的受力特性,通過對(duì)索施加預(yù)應(yīng)力來進(jìn)步構(gòu)造的剛度,給構(gòu)造提供跨中彈性支撐來改變彎矩的分布方式到達(dá)降低彎矩峰值的目的,利用構(gòu)造的自平衡特性減小支座間的

4、程度推力。圖1()的構(gòu)造在支座之間拉1276.0的熱軋無縫鋼管,該構(gòu)造構(gòu)造剛度大、形狀穩(wěn)定性好,可以抵抗風(fēng)吸力,同樣也可以減小支座間的程度推力。3構(gòu)造方案的比較分析3.1計(jì)算模型及其參數(shù)已有的研究成果說明:拱桁架構(gòu)造本身為平面構(gòu)造體系。因此,文章選用一榀拱桁架為計(jì)算模型。構(gòu)造的跨度為60,矢高為7.5,橫截面為倒三角形。根據(jù)構(gòu)造設(shè)計(jì)要求,截面的選取見表1,材料為Q235B鋼,彈性模量:E=2.06E11N/2,屈服極限:s=235E6N/2,張弦拱桁架支座為一端剛接,一端鉸支,文章采用ANSYS程序進(jìn)展分析。拱桁架的上弦、下弦、腹桿和撐桿采用LINK8模擬,撐桿與下弦、拉索之間視為鉸接,拉索方

5、案的拉索采用LINK10模擬,而拉桿方案的拉桿采用BEA188模擬。3.2單榀拱桁架的受力分析3.2.1靜力分析靜力分析是構(gòu)造的根本分析,在該分析中,著重考慮構(gòu)造的工作狀態(tài),即考慮了構(gòu)造的自重、恒載、活載、風(fēng)載,將荷載以集中力的方式作用在上弦各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,其值分別為1.082kN、1.586kN、15.902kN、15.062kN、16.406kN。(1)方案拱桁架支座為兩端鉸支,其最大位移出如今跨中,值為54.2,下弦桿的內(nèi)力最大,值為101Pa。(2)方案中,考慮了索的預(yù)應(yīng)力,通過調(diào)整張弦桁架中索的初始應(yīng)變的方式施加預(yù)應(yīng)力,對(duì)構(gòu)造初始形態(tài)預(yù)起拱,?鋼構(gòu)造設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?允許預(yù)起拱值為“1.0恒+0

6、.5活產(chǎn)生的變形,按此規(guī)定,幾乎所有構(gòu)造剛度缺乏工程均不需要對(duì)構(gòu)造在荷載下產(chǎn)生的彈性位移進(jìn)展控制,而通過構(gòu)造的初始幾何形態(tài)的預(yù)起拱實(shí)現(xiàn)構(gòu)造正常使用的變形性能平安設(shè)計(jì)目的。但此時(shí),構(gòu)造的絕對(duì)位移值超過250,如此大變形對(duì)屋面圍護(hù)次構(gòu)造、屋面防水連接構(gòu)造的正常使用的平安性能將產(chǎn)生嚴(yán)重不利影響。參考大量的工程實(shí)例,預(yù)起拱值在自重作用下,以構(gòu)造彈性位移約到達(dá)跨度的1/400L為基準(zhǔn)試算求得。預(yù)應(yīng)力取值為800Pa時(shí),起拱值176,下弦桿的應(yīng)力最大,值為82.0Pa。將800Pa的預(yù)應(yīng)力作為初始預(yù)應(yīng)力加到構(gòu)造上,在正常使用狀態(tài)下,其最大位移出如今跨中,值為68.9,上弦桿的內(nèi)力最大,值為234.6Pa。

7、(3)方案中,將拉索換為拉桿,其最大位移出如今跨中,值為87.8,下弦桿的內(nèi)力最大,值為91.8Pa。為了方案的優(yōu)選,文章將3個(gè)方案的用鋼量、構(gòu)造最大反力、撓度、施工難易度等經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)列表,其結(jié)果見表2。3個(gè)構(gòu)造方案的最大位移均出如今拱桁架的跨中,其最大位移也符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)撓度的控制標(biāo)準(zhǔn)。比較表2中3個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)可以看出:方案的用鋼量和支座反力最大,而這恰恰與甲方要求用鋼量低、對(duì)下部構(gòu)造負(fù)荷小的要求相違犯;方案在索施加預(yù)應(yīng)力的作用下,用鋼量最省,如對(duì)索施加預(yù)應(yīng)力來到達(dá)控制構(gòu)造撓度的要求,那么所施加的預(yù)應(yīng)力較大,其索力約為670kN,上弦桿的斷面也相應(yīng)的增大,而且,施工難度比較大;方案的用鋼量和支座反力居于方案和方案之間,且施工也不難,撓度也滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。3.2.2模態(tài)分析構(gòu)造的自振特性是構(gòu)造動(dòng)力的根本性質(zhì),也是動(dòng)力分析的基矗對(duì)構(gòu)造進(jìn)展動(dòng)力特性分析,取前8階振型以保證參與質(zhì)量到達(dá)90%以上,頻率值見表3。由表3可見,拉桿方案的基頻遠(yuǎn)大于拉索方案的基頻,那么說明方案的面內(nèi)剛度