廣州國際會展張弦梁桁架結(jié)構(gòu)的分析

廣州國際會展張弦梁桁架結(jié)構(gòu)的分析

一、主展覽廳屋頂結(jié)構(gòu)張銀梁結(jié)構(gòu)是由拱梁（骨架）、彈簧和支撐桿組成的平面支撐結(jié)構(gòu)。充分發(fā)揮鋼索承受能力強、拱結(jié)構(gòu)抗壓性好的特點，結(jié)構(gòu)荷載合理，可以達到較大的跨度。廣州國際會展中心位于廣州市海珠區(qū)琶洲島,博覽區(qū)占地面積38萬m2,北臨珠江,西連華南快速干線、南新港東路等交通主干道,是廣州市二十一世紀的標志性建筑。上部結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土框架和鋼結(jié)構(gòu)屋蓋兩部分組成。主展覽廳共5個單元,每個單元的屋面結(jié)構(gòu)如圖1所示,共由6榀一端為固定鉸支座,另一端為水平滑動支座的張弦桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)成,跨度為126.6m,是目前國內(nèi)跨度最大的張弦桁架。結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖2所示,腹桿與弦桿、撐桿與弦桿的連接均為鉸節(jié)點。圖中KL1為?168×6,KL2為?168×9,KL3為?273×9,KS1為?325×8,鋼索由337根?7鋼絲組成。所有桁架桿件均采用圓鋼管,節(jié)點均為空間相貫節(jié)點,鋼材采用Q345B。除張弦桁架自重外,梭形桁架每根上弦承受豎向均布恒載標準值為8.25kN/m,活載標準值為2.25kN/m,相當于屋面恒載標準值為1.1kN/m2(包括除張弦桁架自重外的所有恒載),活載標準值為0.3kN/m2?？紤]到每榀張弦桁架的一端為固定鉸支座,另一端為水平滑動支座,且屋面板的構(gòu)造亦允許與桁架及檁條有一定程度的滑動,故溫度的作用可以不計。每榀張弦桁架的中心間距為15m。主檁條為H500×200×10×16,水平投影檁距為5m。屋面支撐為?219×6.5,滿堂布置在檁條所在平面內(nèi)。張弦桁架端部支座采用鑄鋼節(jié)點,如圖3所示。二、張弦桁架靜力分析對于線性計算與幾何非線性分析的差別,在計算小模型的弦的內(nèi)力反應(yīng)時,用線性分析是能夠滿足設(shè)計所要求的精度的。在上述前提條件下,小模型的張弦梁(桁架)結(jié)構(gòu)的分析可分兩個步驟進行:第一步是用線性有限元法計算僅外荷載作用下的反應(yīng);第二步是用幾何非線性有限元法計算僅有預(yù)應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。第一步與第二步結(jié)果疊加,就是結(jié)構(gòu)實際的內(nèi)力反應(yīng)和位移反應(yīng)。與上述情況相比,本工程的張弦桁架跨度較大,高跨比也較小,似乎幾何非線性的影響要大一些。因此對于該張弦桁架進行了靜力計算的線性與幾何非線性比較,線性計算采用了同濟大學(xué)的3D3S鋼結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件和STRAND7.0,幾何非線性分析則采用了STRAND7.0,跨中撓度的計算結(jié)果如表1所示。計算結(jié)果表明,在不考慮索內(nèi)預(yù)張力的情況下,對本工程而言,在工程設(shè)計的范圍內(nèi)幾何非線性因素的影響是可以忽略不計的。如果把索的預(yù)張力作為一種單純的工況來考慮,那么,當預(yù)張力較小時,幾何非線性因素的影響也是很小的。這主要是由于上部的梭形桁架豎向剛度相對較大的原因。然而,當上部的桁架或梁剛度較小或施加的預(yù)應(yīng)力很大以至于結(jié)構(gòu)的變形大到已經(jīng)改變了原來的基本形狀時,就必須考慮幾何非線性因素的影響了。三、交叉穩(wěn)定分析對于平面桁架而言,由于側(cè)向剛度較小,往往需要設(shè)置側(cè)向支撐以保證整個屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。從本質(zhì)上看,本工程的索桁架體系仍屬平面受力體系,它的側(cè)向剛度較小。但考慮到本工程中梭形桁架為一局部空間結(jié)構(gòu),且上下弦均為貫通的鋼管,所以屋面的H型鋼檁條能夠提供足夠的約束能力以阻止桁架的側(cè)傾,如圖4所示。側(cè)向的水平位移則通過設(shè)置滿堂的水平交叉支撐來約束。從上述定性分析看來,桁架本身是足夠穩(wěn)定的。在本工程中,撐桿的上下端均設(shè)計成雙向鉸接,上端支承于桁架之上,下端靠拉索來支承。當撐桿內(nèi)軸向壓力較大時,似乎撐桿存在著出平面外的不穩(wěn)定趨勢,為了阻止這種趨勢的出現(xiàn),一般都傾向于采用類似于側(cè)向支撐的交叉穩(wěn)定索。實際的分析結(jié)果表明,在絕大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)是一個自平衡的穩(wěn)定體系,一般不會出現(xiàn)出平面外的失穩(wěn)。由于實際工程結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,為了從概念上說明這一點,采用了一個簡單的單撐桿的索梁體系的算例來證明,計算簡圖如圖5所示。按穩(wěn)定分析的一般概念,首先對該結(jié)構(gòu)進行靜力分析,得出各桿件內(nèi)力如圖5所示。假定撐桿下端B有一個出平面外的微小位移Δ,如圖6所示,因為撐桿的軸力等于索的豎向合力,它對于上端支點A而言,所產(chǎn)生的使下端支點B出平面外的彎矩為M1=(69.7×sin9.46°)×2×Δ=22.9Δ,而索的水平合力的作用則是使下端支點B回復(fù)到平衡位置,它所產(chǎn)生的彎矩為M2=(69.7×cos9.46°×Δ/6)×1.5×2=34.4Δ,可見M2要大于M1,亦即趨使撐桿回到平衡位置的能力要比出平面的能力大,所以可以認為撐桿是穩(wěn)定的。當然,上述計算的前提是撐桿必須有足夠的剛度而不會在結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)之前失穩(wěn)。實際上撐桿內(nèi)的軸力都不是太大,一般能夠滿足建筑要求的桿件尺寸都能滿足撐桿穩(wěn)定性的要求。相應(yīng)地多撐桿的索桁架結(jié)構(gòu)也可以用類似的方法來考慮。為了計算圖2張弦梁在線彈性條件下的臨界荷載,本文利用STRAND7.0對該模型進行了穩(wěn)定分析。當荷載系數(shù)為22.3時(即臨界荷載為設(shè)計荷載的22.3倍時),結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)模態(tài)如圖7所示,最先發(fā)生屈曲的桿件為桁架中部的上弦桿(它的剛度儲備較少)而非撐桿的平面外失穩(wěn)。實際上,當荷載系數(shù)為22.3時,結(jié)構(gòu)已超出了線彈性和強度極限的范圍而發(fā)生了破壞,所以在設(shè)計荷載作用下結(jié)構(gòu)不會發(fā)生失穩(wěn)破壞。從理論上來看,對這類結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題并不能簡單地將索-桁架-撐桿人為地割裂開來單獨計算。較為精確的計算方法應(yīng)該是按照統(tǒng)一的整體結(jié)構(gòu)進行分析,這是因為桁架(即使包括了屋面的支撐體系)并非一個無限剛性的體系,故而理論上的臨界荷載要比本文所述方法的還要略微小一些。但顯而易見的事實是,在工程應(yīng)用的范圍內(nèi),索桁架結(jié)構(gòu)所承受的荷載要遠比臨界荷載小得多,而且屋面體系本身也具有足夠的剛度,以致于它的影響可以不予考慮了。四、大力施加預(yù)應(yīng)力索內(nèi)預(yù)應(yīng)力的作用是使結(jié)構(gòu)反拱以增大索桁架結(jié)構(gòu)的豎向剛度,從而降低結(jié)構(gòu)的豎向位移。但索的張拉必然給桁架附加一個額外的軸向壓力和彎矩。相對于預(yù)應(yīng)力為零的情況,這種變化會增加上部桁架的內(nèi)力和索的軸向拉力,從而增加整個結(jié)構(gòu)的用鋼量。對于本工程126.6m跨的張弦桁架,計算了上述兩種情況。預(yù)應(yīng)力為零時,張弦桁架結(jié)構(gòu)的用鋼量為51.5kg/m2,綜合位移Z=448.5mm;索內(nèi)的預(yù)拉力為600kN時,結(jié)構(gòu)用鋼量為70kg/m2,綜合位移為0。當風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)自重相比較小時,風(fēng)的吸力不足以使索退出工作,可以考慮在鋼結(jié)構(gòu)加工時先給予一個預(yù)計的反拱值,使結(jié)構(gòu)受力后達到設(shè)計的位置處。從經(jīng)濟角度來看,通過施加預(yù)應(yīng)力來提供額外的反拱值,似乎是得不償失的。當風(fēng)的吸力較大時可采用稍重一些的屋面或在索內(nèi)施加少量的預(yù)應(yīng)力來保證索的正常工作狀態(tài)。本工程的模型風(fēng)洞試驗表明,屋面鋼結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)較大,風(fēng)的吸力較為接近結(jié)構(gòu)所受的恒載,某些接近邊緣的部位還有可能超過。如果不考慮在弦索內(nèi)施加一定預(yù)應(yīng)力,那么在風(fēng)的吸力作用下,弦索內(nèi)就會失去拉力而退出工作,這對于結(jié)構(gòu)內(nèi)各桿件的共同工作是很不利的。另一方面,由于弦索本身所固有的特點,在加工和運輸過程中弦索可能會有一些扭曲變形,當弦索內(nèi)拉應(yīng)力沒有達到一定的數(shù)值時,弦索就會出現(xiàn)扭曲變形。根據(jù)其它類似工程的情況和弦索制造廠家的試驗結(jié)果,對于?140的鋼絞線弦索,只要能保證在最不利的荷載組合情況下仍有150～200kN的張拉力,弦索即可基本拉直張緊。與豎向荷載作用下弦索內(nèi)的張力3600kN相比,這個預(yù)應(yīng)力度是相當小的。在標準值為200kN的預(yù)應(yīng)力作用下,如果僅考慮恒載和活載的作用,設(shè)計各桿件的控制軸力標準值如表2所示。五、張拉和吊裝設(shè)計的確定及實施張弦桁架結(jié)構(gòu)受力明確合理,自重輕,構(gòu)造簡單,施工方便,能夠達到較大的跨度,非常適合本工程的實際情況。在保證任何工況下弦索都能參與結(jié)構(gòu)整體工作的條件下,在設(shè)計時選用了較小的預(yù)應(yīng)力度(200kN左右,根據(jù)現(xiàn)場的實際張拉情況可以有一些微量調(diào)整),既保證了結(jié)構(gòu)具有足夠的豎向剛度,又能節(jié)約一定的用鋼量。而對于屋面結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的精確分析以及用鋼量與預(yù)應(yīng)力度之間的關(guān)系,有待進一步研究。根據(jù)本工程的實際情況,經(jīng)過與相關(guān)單位的多次討論和協(xié)調(diào),初步確立了“一次張拉,局部微調(diào)”的張拉施工方案,即先在胎架上一次