抗風(fēng)錨桿在張弦梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

潘福婷，王艷華，吳 京

（1.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥230088；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096）

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抗風(fēng)錨桿在張弦梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

潘福婷1，王艷華1，吳 京2

（1.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，合肥230088；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096）

摘要：張弦粱結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)吸力大于結(jié)構(gòu)自重等豎直向下的荷載時(shí)，預(yù)應(yīng)力索將松弛退出工作。運(yùn)用SAP2000對(duì)某張弦梁結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力索失效后的承載力、變形和整體穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。計(jì)算結(jié)果表明：下弦索失效后，荷載只能由主弦桿承擔(dān)，導(dǎo)致某些構(gòu)件承載力不足，添加抗風(fēng)錨桿后各構(gòu)件的承載力均能滿足；穩(wěn)定拉索和交叉穩(wěn)定拉桿的設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度，且有效地抑制了側(cè)向變形。

關(guān)鍵詞：張弦梁結(jié)構(gòu)；承載力；抗風(fēng)錨桿；變形；整體穩(wěn)定性

0引言

張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種大跨度預(yù)張拉空間鋼結(jié)構(gòu)體系，往往由剛度較大的剛性抗彎構(gòu)件和高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力索以及連接兩者的撐桿組成，通過下弦索繃緊來保證結(jié)構(gòu)整體剛度形成自平衡體系，結(jié)構(gòu)具有受力合理、簡(jiǎn)單輕盈、施工便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此近年來在國(guó)內(nèi)得到較多的工程應(yīng)用［1-3］。但正因?yàn)槠渥灾剌^輕、柔度較大、阻尼小，結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載十分敏感，所以當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)吸力大于豎直向下的荷載時(shí)，下弦索將逐步松弛而退出工作，結(jié)構(gòu)的承載力與整體抗風(fēng)剛度驟減，因此張弦梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

當(dāng)下弦預(yù)應(yīng)力索松弛之后，一般的抗風(fēng)措施有：配重法、布設(shè)錨固索法、增大下弦索的預(yù)應(yīng)力及布設(shè)抗風(fēng)索、抗風(fēng)錨桿等。莊學(xué)臻［4］針對(duì)沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)張弦梁屋蓋結(jié)構(gòu)采用在上弦箱形梁體系中填充配重的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析證明該方法設(shè)計(jì)可靠、施工簡(jiǎn)便可行；白正仙［5］等人對(duì)跨度為60m的一榀張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)索的布設(shè)，分析計(jì)算其在靜風(fēng)及脈動(dòng)風(fēng)下的抗風(fēng)性能，結(jié)果表明抗風(fēng)索對(duì)抗風(fēng)剛度的提高較為有效，且抗風(fēng)索能有效地減小結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)下的位移響應(yīng)；羅堯治［6］等人給出了自適應(yīng)張弦梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)吸力作用下的理論控制模型，該模型能確保自適應(yīng)張弦梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)吸作用下下預(yù)應(yīng)力索不退出工作。

1 工程實(shí)例

本工程為1處在標(biāo)高37m處連接兩棟高層建筑的天窗玻璃幕墻回廊，其屋蓋支撐體系采用單向張弦梁結(jié)構(gòu)，跨度為25.5m，下弦索采用拋物線形，垂度為2.5m。將7榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)平行布置，用檁條將多榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)在縱向進(jìn)行連接，從而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)得的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到±1.5kN/m2，達(dá)到了該地區(qū)基本風(fēng)壓的3倍，故對(duì)主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了承載力和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，各構(gòu)件的選材見表1。

表1 各構(gòu)件選材

1.1 承載力驗(yàn)算

考慮的荷載有恒載、風(fēng)荷載、雪荷載、地震荷載和預(yù)應(yīng)力。組合方法依據(jù)《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》（CECS127-2001），恒載和預(yù)應(yīng)力始終參與組合，其他3項(xiàng)可變荷載分別按照第一、第二、第三種可變荷載進(jìn)行排列。分項(xiàng)系數(shù)：恒載為1.2，風(fēng)載、雪載均為1.4，地震荷載為1.3。多種可變荷載參與組合時(shí)，第2個(gè)可變荷載的組合值系數(shù)為0.6。

采用SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模和靜力分析。主弦桿采用SAP2000中的Frame單元，考慮桿件的抗彎抗扭性能，主弦桿兩端是固定鉸接，且限制扭矩，一端釋放沿主弦桿方向的約束，主要是考慮預(yù)應(yīng)力的施加；檁條和主弦桿之間采用鉸接連接。

設(shè)計(jì)工況1：考慮的荷載有恒載、豎直向下風(fēng)荷載、雪荷載和預(yù)應(yīng)力，其中預(yù)應(yīng)力為1450kN，其計(jì)算模型如圖1所示。

計(jì)算時(shí)程序先計(jì)算各個(gè)單獨(dú)荷載工況情況下的內(nèi)力，再根據(jù)要求對(duì)各荷載工況進(jìn)行荷載組合，并驗(yàn)算每一桿件關(guān)鍵截面的應(yīng)力比，構(gòu)件的最大應(yīng)力比見表2，可以看出，所有構(gòu)件的最大應(yīng)力比均小于1，滿足要求。

圖1 工況1計(jì)算模型

表2 各構(gòu)件的計(jì)算最大應(yīng)力比

設(shè)計(jì)工況2：考慮的荷載有恒載、豎直向上風(fēng)載和預(yù)應(yīng)力，由于風(fēng)荷載的數(shù)值已經(jīng)大于結(jié)構(gòu)自重，預(yù)應(yīng)力拉索將退出結(jié)構(gòu)工作，其相應(yīng)的模型見圖2。

圖2 工況2計(jì)算模型

經(jīng)過程序驗(yàn)算得出，部分桿件的承載力未能通過驗(yàn)算。在每榀張弦梁兩側(cè)分別添加兩根Φ15不銹鋼抗風(fēng)錨桿，錨固端位置在桁架支座下2.5m，計(jì)算模型見圖3。通過程序校核，所有的桿件應(yīng)力比均小于1，全部通過驗(yàn)算，錨桿內(nèi)最大應(yīng)力為190kN。通過增加抗風(fēng)錨桿，減小主弦桿計(jì)算長(zhǎng)度，使得結(jié)構(gòu)能滿足變形和強(qiáng)度要求。

圖3 添加抗風(fēng)錨桿計(jì)算模型局部圖

1.2 變形驗(yàn)算

如果張弦梁支撐結(jié)構(gòu)的豎向變形過大，將會(huì)對(duì)玻璃幕墻產(chǎn)生不利的影響甚至是破壞，因此，對(duì)各工況下結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3所示，均未超過規(guī)范所規(guī)定的1/250，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

在屋蓋平面主弦桿之間添加交叉穩(wěn)定桿、預(yù)應(yīng)力拉索之間添加兩道通長(zhǎng)穩(wěn)定拉索、交叉穩(wěn)定拉桿以及側(cè)向鋼板與主弦桿之間添加撐桿，如圖4所示，以增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了了解結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性大變形分析［7］。

表3 各工況下的結(jié)構(gòu)變形計(jì)算

圖4 穩(wěn)定索及撐桿布置圖

在3.0*（1.2×恒載＋1.4×豎直向下風(fēng)載）作用下，模型計(jì)算可以收斂，變形如圖5所示，從圖中可見，結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生豎向變形，其最大側(cè)向變形僅25mm，說明結(jié)構(gòu)在超載情況下仍具有良好的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖5 大變形分析后變形（mm）

2 結(jié)論

本文對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)分別在風(fēng)壓力和風(fēng)吸力作用下的承載力和變形分別進(jìn)行了驗(yàn)算，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性大變形分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)風(fēng)吸力大于豎直向下荷載時(shí)，預(yù)應(yīng)力索將失效，荷載只能由主弦桿來承擔(dān)，結(jié)構(gòu)承載力可能不滿足規(guī)范要求。計(jì)算表明，添加抗風(fēng)錨桿后各桿件的承載力均滿足要求，且有效地減小了風(fēng)吸力作用下結(jié)構(gòu)的豎向變形；

2）穩(wěn)定拉索和交叉穩(wěn)定拉桿的添加，可以有效地提高張弦梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，進(jìn)而增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。

參考文獻(xiàn)：

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［6］羅堯治，程華強(qiáng)，許賢.自適應(yīng)張弦梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力控制理論研究［J］.工程力學(xué)，2014，31（6）:159-165.

［7］薛啟超.張弦梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.

（責(zé)任編輯：郝安林）

The Applied Research of Wind Bolt to the Beam String Structure

PAN Futing1，WANG Yanhua1，WU Jing2
（1.College of Civil&Environmental Engineering，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：When the wind suction exceeds the vertical downward load，the prestressed cable will be inactive.In this paper，the bearing capacity，deformation and the overall stability of a beam string structure were analyzed by SAP2000.The calculation results show that:when the prestressed cable fails，the load can be borne by the main chord member，leading to some lack of capacity.After adding the wind bolt，the bearing capacity of each compo?nent can be met；the set of stable cable and stable cross rods can not only improves the overall lateral stiffness of the structure and effectively inhibits the lateral deformation.

Key words:beam string structure；bearing capacity；wind bolt；deformation；overall stability

中圖分類號(hào)：TU32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-2928（2016）02-0040-03

收稿日期：2015-10-18

基金項(xiàng)目：安徽高校省級(jí)優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2013SQRL098ZD）。

作者簡(jiǎn)介：潘福婷（1983-），女，江蘇揚(yáng)州人，安徽新華學(xué)院講師，碩士研究生。