工程類課件：張弦結(jié)構(gòu)

張弦結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)實(shí)例操作演示一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是什么？

預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)是在設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用過程中用人為方法引入預(yù)應(yīng)力以提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的鋼結(jié)構(gòu)。為改變傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形分布、抵消荷載作用下的內(nèi)力與較大變形，通常是通過在鋼結(jié)構(gòu)中引入高強(qiáng)度的拉索并給拉索施加預(yù)應(yīng)力來實(shí)現(xiàn)的。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)是什么？

張弦梁-BSS(BeamStringStructure)，由日本大學(xué)齋藤公男M．Saito教授在上世紀(jì)80年代初提出的，他將其定義為“用撐桿連接起抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件而形成的自平衡體系”，一種新型預(yù)應(yīng)力雜交鋼結(jié)構(gòu)形式，之后得到逐漸得到廣泛應(yīng)用。它是通過受壓桿件（豎向撐桿）將受拉構(gòu)件（鋼拉索）和壓彎構(gòu)件（梁、拱、桁架等）連接到一起，同時(shí)施加預(yù)應(yīng)力于受拉構(gòu)件（鋼拉索），待上部使用荷載施加后，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)初始形狀組成受力結(jié)構(gòu)體系的一種新型結(jié)構(gòu)。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)？（1）弦支梁結(jié)構(gòu)承重力高（2）弦支梁結(jié)構(gòu)在荷載作用時(shí)的結(jié)構(gòu)變形下（相對(duì)單層結(jié)構(gòu)）（3）弦支梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性特別強(qiáng)（4）弦支梁結(jié)構(gòu)自平衡體系（5）弦支梁結(jié)構(gòu)建筑造型適用性極強(qiáng)（6）弦支梁結(jié)構(gòu)制作、運(yùn)輸、施工簡單李振波的可以一點(diǎn)一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)？弦梁也有很明顯的缺點(diǎn)：（1）張弦梁對(duì)風(fēng)荷載很敏感，一般情況大跨度下為了減輕屋面荷載都采用輕型屋面系統(tǒng)，風(fēng)荷載作用下很容易產(chǎn)生吸力使下弦拉索受壓而失去作用；（2）單向布置的張弦梁為平面受力體系，空間作用小，平面外無法保證穩(wěn)定，所以要加平面外支撐構(gòu)件，而這些如高強(qiáng)拉索的支撐構(gòu)件通常會(huì)需要很高的工作面，加大預(yù)應(yīng)力張拉難度；（3）張弦梁結(jié)構(gòu)中僅僅有豎腹桿，沒有桁架等結(jié)構(gòu)的斜桿，隨著跨度的增加，會(huì)導(dǎo)致以壓彎構(gòu)件為主的上弦構(gòu)件截面加大，同時(shí)豎腹桿受長細(xì)比影響其截面也將很大。

（4）設(shè)計(jì)分析較為困難，特別是找形過程。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的分類按壓彎構(gòu)件類型壓彎構(gòu)件為梁壓彎構(gòu)件為拱壓彎構(gòu)件為桁架壓彎構(gòu)件為網(wǎng)架或網(wǎng)殼解釋一下每一種一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的分類直線型張弦梁是張弦梁結(jié)構(gòu)的最基本模型。該類型通過拉索和撐桿提供彈性支撐,從而減小上弦構(gòu)件的彎矩,主要適用于樓板結(jié)構(gòu)和中小跨度屋面結(jié)構(gòu)。拱型張弦梁具有拉索和撐桿為上弦構(gòu)件提供彈性支撐以減小拱上彎矩的特點(diǎn),此外,由于拉索張力可以與拱推力相抵消,一方面充分發(fā)揮了上弦拱的受力優(yōu)勢,也充分發(fā)揮了利用拉索抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn),適用于大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的分類張弦梁桁架張弦桁架結(jié)構(gòu)采用了剛度更大的析架作為張弦梁結(jié)構(gòu)的受壓構(gòu)件，使得其適用于更大跨度的結(jié)構(gòu)以上。析架又可以分為平面析架和空間析架。索承網(wǎng)殼索承網(wǎng)殼是將單層網(wǎng)殼作為受壓構(gòu)件,通過拉索進(jìn)行張拉形成的空間張弦梁結(jié)構(gòu)受力體系。通過對(duì)下部拉索施加預(yù)應(yīng)力,可以使得單層網(wǎng)殼產(chǎn)生與正常使用荷載作用下反向的位移與內(nèi)力,有效提高整體結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性,改善結(jié)構(gòu)的受力性能,使得結(jié)構(gòu)對(duì)邊緣約束構(gòu)件的要求明顯降低,結(jié)構(gòu)的跨度可以做的更大。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的分類按布置方式平面張弦空間張弦平面張弦梁特點(diǎn)就是所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件都位于同一平面內(nèi)，也稱為單向張弦梁，此種張弦梁以平面受力為主。平面外剛度小造成其平面外穩(wěn)定性差。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的分類按布置方式平面張弦空間張弦多以平面張弦梁結(jié)構(gòu)為基本組成單元，通過不同形式的空間布置所形成。一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的分類按材料分類鋼材鋁合金膠合木混凝土主要是壓彎構(gòu)件一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹典型工程一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹典型工程一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹典型工程一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹典型工程上海世博會(huì)主題館一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹典型工程上海世博會(huì)主題館一、張弦結(jié)構(gòu)基本介紹典型工程新疆國際會(huì)展中心屋蓋預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)體系：17榀主桁架，4榀縱向支撐桁架，跨度90m，截面高5.5m，一端固定鉸支，一端單向滑動(dòng)。中部展廳標(biāo)準(zhǔn)榀：二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容找形與找力任何結(jié)構(gòu)分析都是基于平衡狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)于索結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)部機(jī)構(gòu)的存在，使得結(jié)構(gòu)必須靠預(yù)應(yīng)力形成虛剛度（應(yīng)力剛度）來維持結(jié)構(gòu)形態(tài)，就必須尋找結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下的初始形態(tài)，即找形(FormFindingorShapeFinding)。另一方面在工程中，很多結(jié)構(gòu)的幾何形狀一般都是先給定的，這時(shí)的找形就變成在已知邊界約束條件與結(jié)構(gòu)拓?fù)錀l件下，如何獲得滿足給定結(jié)構(gòu)幾何的預(yù)應(yīng)力分布問題即找力(ForceFinding)?？蓪⑿螤畲_定問題分為三類。（1）單純的找形分析問題，如假設(shè)自應(yīng)力分布的找形分析，此時(shí)荷載為零而內(nèi)力不為零之狀態(tài)。（2）單純的找力分析問題，如假設(shè)體系的幾何形狀，以此初始形態(tài)為自應(yīng)力的分布作出優(yōu)化。（3）兼有找形分析和找力分析的問題，即已知道邊界（建筑）條件，進(jìn)行體系拓?fù)浞治?，根?jù)分析的結(jié)果進(jìn)行找形分析和找力分析，由結(jié)構(gòu)效率最高和總體造價(jià)最低、滿足建筑本身的安全、適用及耐久性等要求確定最后的建筑方案。

二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容三種狀態(tài)零狀態(tài)、初始狀態(tài)、工作狀態(tài)（荷載態(tài)）零狀態(tài)是結(jié)構(gòu)體系拉索張拉前的狀態(tài),實(shí)際上是構(gòu)件加工和放樣形態(tài)，通常也叫結(jié)構(gòu)放樣態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)中結(jié)構(gòu)不受預(yù)應(yīng)力和自重作用。初狀態(tài)是拉索張拉完畢后，結(jié)構(gòu)安裝就位的形態(tài),通常也叫預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。初始態(tài)是建筑設(shè)計(jì)所給定的基本形態(tài)，即結(jié)構(gòu)竣工后的驗(yàn)收狀態(tài)這個(gè)狀態(tài)中結(jié)構(gòu)受預(yù)應(yīng)力和自重作用。荷載態(tài)是在初狀態(tài)的基礎(chǔ)上，承受其它外荷載之后的受力狀態(tài)。二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容結(jié)構(gòu)的幾何定義不要求初始狀態(tài)幾何嚴(yán)格滿足圖紙→零狀態(tài)=圖紙幾何當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較大使預(yù)張力引起的變形很小或當(dāng)結(jié)構(gòu)張拉引起的變形與自重效應(yīng)相互抵消時(shí)，容許初始狀態(tài)幾何相對(duì)于圖紙幾何有較小的并可以接受的誤差。這種情況下，可將圖紙幾何取為零狀態(tài)幾何，按圖紙幾何建立模型。要求初始狀態(tài)幾何與圖紙幾何吻合→初始狀態(tài)幾何=圖紙幾何當(dāng)結(jié)構(gòu)較柔使預(yù)張力引起的變形與自重效應(yīng)疊加時(shí)，應(yīng)將圖紙幾何取為結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)幾何，按圖紙幾何建立計(jì)算模型，撤除主動(dòng)索在其兩端節(jié)點(diǎn)加上的主動(dòng)索力，進(jìn)行線性分析確定與圖紙幾何對(duì)應(yīng)的一組平衡內(nèi)力，這組內(nèi)力即是初始狀態(tài)內(nèi)力，這一方法可稱為撤桿加力法。但是必須采用“倒拆法”，在初始狀態(tài)幾何基礎(chǔ)上逐步拆除主動(dòng)索進(jìn)行計(jì)算，才能得到結(jié)構(gòu)的零狀態(tài)幾何。建筑設(shè)計(jì)圖紙中所規(guī)定的結(jié)構(gòu)幾何為圖紙幾何二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容一般原則

張弦梁結(jié)構(gòu)的基本受力性能符合線彈性和小變形的假定，因此其荷載及預(yù)應(yīng)力效應(yīng)可以采用線性疊加原則。但對(duì)于大跨度的張弦梁結(jié)構(gòu)，需要考慮幾何非線性的效應(yīng)以進(jìn)行精確分析。建議：直接考慮幾何非線性計(jì)算假定：上弦--梁單元桿單元（桁架）；

撐桿--桿單元；拉索--索單元材料處于彈性狀態(tài)，符合虎克定律索與撐桿之間的節(jié)點(diǎn)，以及索段之間的節(jié)點(diǎn),均為無摩擦的理想鉸接點(diǎn)，并且不考慮連接時(shí)節(jié)點(diǎn)不完全重合而引起的影響。節(jié)點(diǎn)之間的索段為直線單元索為完全柔性，即無抗彎和抗壓能力二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容形態(tài)確定

上弦參考前面張弦梁分類

下弦采用拋物線、圓弧線（垂度建筑圖紙）二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容預(yù)應(yīng)力分部的計(jì)算方法(1)平面張弦梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分析的等效節(jié)點(diǎn)荷載法張弦梁預(yù)應(yīng)力分析主要計(jì)算結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)時(shí)的自平衡預(yù)應(yīng)力分布，其預(yù)應(yīng)力特點(diǎn)如下：張弦梁結(jié)構(gòu)中的拉索張力只有一根是獨(dú)立的，其他索段的預(yù)張力就可以看成是某根索段張拉的結(jié)果二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容預(yù)應(yīng)力分部的計(jì)算方法(2)預(yù)應(yīng)力分析的局部分析法部分析法是采用平衡矩陣空間分解技術(shù)來分析預(yù)應(yīng)力分布。二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)平面張弦梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力分析的等效節(jié)點(diǎn)荷載法例：例：跨度60m上弦拱高3m下弦垂度5m拋物線型局部分析法保持恒載下位移為零，需多大的力？二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容找形方法：非線性有限元法找形目標(biāo)：在預(yù)張力、一倍恒荷載及自重下的上弦剛性網(wǎng)格位移響應(yīng)趨近于小值（一般與圖紙位形差10~30mm以后）。

自重+預(yù)應(yīng)力？自重+恒+預(yù)應(yīng)力？自重+0.5恒+預(yù)應(yīng)力？

設(shè)計(jì)師主導(dǎo)偏大二、張弦梁設(shè)計(jì)內(nèi)容荷載態(tài)設(shè)計(jì)驗(yàn)算設(shè)計(jì)師主導(dǎo)偏大剛度：容許撓度控制為L/250

長細(xì)比：壓桿150拉桿250強(qiáng)度主要鋼構(gòu)件：應(yīng)力比≤0.8（靜力荷載、小震）

應(yīng)力比≤1.0（大震）拉索：最大拉力≤0.4破斷力（靜力荷載、小震、大震）穩(wěn)定：考慮大變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用一致缺陷模態(tài)，最大值取跨度的1/300，系數(shù)K≥4.2索不松弛三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)通過軸向的拉伸來抵抗外荷載作用；

?僅在受拉情況下工作；

?受壓狀態(tài)下即退出工作；

采用堅(jiān)朗、巨力等廠家索彈性模量：1.60x105N/mm2

公稱抗拉強(qiáng)度：1670N/mm2

容重：考慮索節(jié)點(diǎn)占索重0.3~0.5

材料

三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)需經(jīng)換算得到索截面

截面三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)MIDAS程序中的初始剛度

定義索單元時(shí)幾何剛度初始荷載初拉力荷載初始單元內(nèi)力

三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)MIDAS程序中的初始剛度

三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)MIDAS程序中的初始剛度

為非線性提供線性分析可能性三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)非線性荷載工況

非線性分析：無法結(jié)果疊加，只能荷載疊加。不考慮地震？？三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)邊界自平衡：一鉸一滑兩端鎖死，應(yīng)叫索承網(wǎng)格體型。三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)分析幾何非線性分析一般默認(rèn)即可三、MidasGEN如何實(shí)現(xiàn)張弦梁設(shè)計(jì)特征值分析---線性分析主菜單選擇荷載>靜力荷載>初始荷載>小位移>初始單元內(nèi)力在對(duì)帶有索單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析的時(shí)候，注意到反應(yīng)譜分析屬于彈性分析，索單元在分析時(shí)等代成桁架單元參與計(jì)算。ZZ+DL+0.5LL四、實(shí)例操作演示四、實(shí)例操作演示跨度32.65m上拱0.5m垂度1.8m索間距：4.3m設(shè)計(jì)荷載恒載：結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重由程序自動(dòng)計(jì)算確定拉索取自重的0.3倍，即材料密度放大1.3倍玻璃幕墻：0.5kN/m2活載：面活荷載：0.5kN/m2吊掛荷載0.5kN一個(gè)溫度作用：±25°選用材料結(jié)構(gòu)鋼材采用Q345B四、實(shí)例操作演示統(tǒng)一技術(shù)措施打發(fā)設(shè)計(jì)荷載雪荷載：0.2kN/m2風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓：0.30kN/m2(50年重現(xiàn)期）地面粗糙度：B類風(fēng)壓高度變化系數(shù):依據(jù)規(guī)范按實(shí)際高度取值風(fēng)振系數(shù)：1.6風(fēng)載體型系數(shù)：-0.6四、實(shí)例操作演示地震：抗震設(shè)防烈度為：6度；設(shè)計(jì)基本地震加速度：0.05g

設(shè)計(jì)地震分組:第一組統(tǒng)一技術(shù)措施剛度：

撓度控制為1/250強(qiáng)度主要鋼構(gòu)件：應(yīng)力比≤0.80（靜力、風(fēng)、溫度、小震）

次要構(gòu)件：應(yīng)力比≤0.90拉索：最大拉力≤0.4破斷力（靜力荷載、小震、大震）

穩(wěn)定：考慮非線性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，采用一致缺陷模態(tài)，最大值取跨度的1/300，控制參數(shù)四、實(shí)例操作演示統(tǒng)一技術(shù)措施四、實(shí)例操作演示1讀取建筑圖2RHINO線模型3MidasGEN找力、設(shè)計(jì)驗(yàn)算四、實(shí)例操作演示先單榀復(fù)制陣列拉檁條導(dǎo)入midasGEN四、實(shí)例操作演示MidasGEN設(shè)計(jì)分析賦材料屬性定義截面