張乃龍 段曉旭 武 濤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

張弦梁結(jié)構(gòu)的概念是20 世紀(jì)80年代由日本Masao Saitoh［1］首先提出，他將張弦梁定義為“由撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件與抗拉構(gòu)件而形成的自平衡體系”。從構(gòu)成要素來看，首先，張弦梁為一種由索與壓彎構(gòu)件組成的雜交結(jié)構(gòu);其次，通過撐桿將索與壓彎構(gòu)件形成了有效的結(jié)構(gòu)高度;最后，索的拉力作用與壓彎構(gòu)件形成自平衡體系［2］。汪大綏等［3］通過對(duì)上海浦東國際機(jī)場候機(jī)樓張弦梁足尺模型的預(yù)應(yīng)力張拉與加載兩階段的試驗(yàn)研究，分析其受力性能。張晉等［4］通過試驗(yàn)研究，分析拱形張弦膠合木梁的受力性能、整體結(jié)構(gòu)破壞模式和拱跨比、垂跨比等因素對(duì)承載力的影響，并驗(yàn)證拉索與木梁、撐桿與木梁連接的設(shè)計(jì)方法。

預(yù)應(yīng)力膠合木張弦桁架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)木材的小材大用和結(jié)構(gòu)的美觀經(jīng)濟(jì)，但還未普遍應(yīng)用。相對(duì)于梁來說，張弦桁架體系將橫向彎曲作用下實(shí)腹梁內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為桁架桿件內(nèi)簡單的拉壓應(yīng)力狀態(tài)，力流傳遞清晰直觀。

現(xiàn)行規(guī)范中缺乏對(duì)膠合木張弦桁架設(shè)計(jì)參數(shù)取值和連接的構(gòu)造規(guī)定。

1 東北落葉松膠合木材料性能

依據(jù)膠合木材相關(guān)實(shí)驗(yàn)規(guī)范，分別進(jìn)行了東北落葉松膠合木順紋抗拉和抗壓實(shí)驗(yàn)，并繪制荷載位移曲線。

1.1 順紋抗拉試驗(yàn)

試驗(yàn)由6 個(gè)試件在萬能試驗(yàn)機(jī)上測得，尺寸為300 mm×20 mm×15 mm，有效測試段在構(gòu)件中部，尺寸為60 mm×4 mm×15 mm。實(shí)驗(yàn)測得拉伸強(qiáng)度平均值145.7 MPa，強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差13.63，變異系數(shù)為9.35%。

順紋受拉力—位移曲線見圖1。

圖1 順紋受拉力—位移曲線

1.2 順紋抗壓試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)由6 個(gè)尺寸為100 mm×100 mm×300 mm 的試件測得，層板厚度為20 mm。

試驗(yàn)測得屈服荷載270.16 kN，極限荷載317.43 kN。通過前期彈性測試階段數(shù)據(jù)計(jì)算膠合木彈性模量為12 725 MPa，通過后期破壞階段數(shù)據(jù)計(jì)算抗壓強(qiáng)度為32 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.48。

順紋受壓力—位移曲線見圖2。

圖2 順紋受壓力—位移曲線

2 預(yù)應(yīng)力膠合木拉桿設(shè)計(jì)方案

由于存在缺陷及木材內(nèi)部纖維的不連續(xù)性，木材順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值低于抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。為使膠合木桿件在受拉構(gòu)件中的應(yīng)用更加廣泛，截面更加合理，提出單根拉桿預(yù)應(yīng)力方案。

取b×h=100 mm×100 mm，桿長L=1 000 mm，層板厚度為20 mm，木材強(qiáng)度等級(jí)選用M30，順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值15 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值21 MPa，彈性模量為12 000 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼絲采用消除應(yīng)力光面鋼絲ΦP，公稱直徑9 mm(面積AP=63.62 mm2)，彈性模量Es=2.05×105MPa，fptk=1 470 MPa，張拉控制應(yīng)力取σcon=0.7 fptk。預(yù)應(yīng)力損失(錨具變形和鋼筋回縮、摩擦損失)估計(jì)為0.2σcon?？卓诔叽缒静暮蛪|板取直徑為15 mm，則膠合木材凈截面面積An=100×100－ Π ÷4×152=9 823 mm2。

預(yù)應(yīng)力膠合木拉桿受拉承載力設(shè)計(jì)值:

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力方案可提高受拉承載力的近50%。

空間立體桁架采用球鉸節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，先將錐形鋼套筒與膠合木桿件連接，再利用雙向螺桿與球鉸節(jié)點(diǎn)連接，施工簡單方便快捷。

球鉸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案見圖3。

圖3 球鉸節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案示意圖

3 24 m 跨預(yù)應(yīng)力膠合木張弦桁架

取一榀張弦桁架作為計(jì)算單元，荷載取值:恒載標(biāo)準(zhǔn)值1.5 kN/m2;活載標(biāo)準(zhǔn)值0.5 kN/m2，荷載設(shè)計(jì)值為2.5 kN/m2，按相鄰兩榀張弦拱架間距6 m 計(jì)算，每榀張弦桁架的恒載標(biāo)準(zhǔn)值為9 kN/m，活載標(biāo)準(zhǔn)值為3 kN/m，荷載設(shè)計(jì)值為:1.2×9 +1.4×3=15 kN/m(每榀張弦桁架的恒載設(shè)計(jì)值為10.8 kN/m，活載設(shè)計(jì)值4.2 kN/m)。

預(yù)應(yīng)力拉索采用SAP2000 中的鋼束模型作為荷載進(jìn)行建模分析，鋼束直徑12 mm，有效拉應(yīng)力600 MPa，上弦桁架桿件采用單元截面，力學(xué)性能參考膠合木結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程，取彈性模量E=10 000 N/mm2。

3.1 張弦桁架SAP2000 模型

首先以垂跨比為1/24 建立SAP2000 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(見圖4)，分別取桁架高度為1 000 mm，800 mm，600 mm 進(jìn)行桁架桿件的內(nèi)力分析，得出較為合理的桁架高度;然后，固定桁架高度以及拉索截面和有效拉應(yīng)力，通過改變撐桿長度使張弦垂度分別為500 mm，1 500 mm，分析不同垂跨比對(duì)桁架內(nèi)力的影響(見表1)。

圖4 張弦桁架SAP2000 計(jì)算模型

表1 張弦桁架計(jì)算模型軸力 kN

3.2 張弦拱架SAP2000 模型

張弦拱架SAP2000 計(jì)算模型見圖5。

圖5 張弦拱架SAP2000 計(jì)算模型

張弦拱架結(jié)構(gòu)中，拱架與索共同承擔(dān)荷載，且拱的水平推力與懸索的水平拉力相互平衡。

JGJ 7—2010 空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程對(duì)張弦立體拱架的設(shè)計(jì)規(guī)定為:“張弦立體拱架的厚度可取跨度的1/30～1/50，結(jié)構(gòu)矢高可取跨度的1/7～1/10，其中拱架矢高可取跨度的1/14～1/18，張弦的垂度可取跨度的1/12～1/30”。

通過活荷載的全跨和半跨分布研究結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，得出計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 張弦拱架計(jì)算模型軸力 kN

3.3 力學(xué)性能分析

1)上弦采用立體桁架，垂跨比為1/24 時(shí)，桁架高度分別為600 mm，800 mm，1 000 mm，桿件軸力減小;桁架高度為1 000 mm，垂度分別為500 mm，1 000 mm，1 500 mm 時(shí)，桿件軸力減小。

2)斜腹桿軸力對(duì)立體桁架厚度變化要比垂跨比變化敏感。

3)撐桿內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)變化桁架厚度、立體桁架形式不敏感，隨垂跨比增大而增大。

4)張弦拱架結(jié)構(gòu)模型相對(duì)于桁架厚度和垂度為1 000 mm 的張弦桁架結(jié)構(gòu)形式而言，桿件軸力的最值相差不大，而桿件軸力之間差值變化較小，內(nèi)力在拱架中分布更加均勻。

3.4 張弦桁架模型破壞形態(tài)分析

根據(jù)SAP2000 張弦桁架模型，對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式進(jìn)行分析，張弦桁架結(jié)構(gòu)的第一振型破壞是活動(dòng)鉸支座端發(fā)生繞固定端在荷載作用平面外的平動(dòng);結(jié)構(gòu)的第二振型破壞是結(jié)構(gòu)上弦繞著撐桿端發(fā)生平面外的傾覆(見圖6，圖7)。

圖6 張弦桁架結(jié)構(gòu)第一振型

圖7 張弦桁架結(jié)構(gòu)第二振型

張弦拱架結(jié)構(gòu)的第一振型破壞是活動(dòng)鉸支座端發(fā)生繞固定端在荷載作用平面外的平動(dòng)，與張弦桁架類似;結(jié)構(gòu)的第二振型破壞是結(jié)構(gòu)跨中下弦撐桿發(fā)生在平面內(nèi)的錯(cuò)動(dòng)，與張弦桁架不同(見圖8，圖9)。

圖8 張弦拱架結(jié)構(gòu)第一振型

圖9 張弦拱架結(jié)構(gòu)第二振型

4 結(jié)語

1)上弦采用立體桁架，垂跨比不變時(shí)，桿件軸力隨桁架高度增大而減小。桁架高度不變時(shí)，桿件軸力隨拉索垂度增大而減小。

2)張弦拱架與張弦桁架相比，桿件軸力的最值相差不大，而內(nèi)力分布更加均勻。

3)張弦桁架和張弦拱架破壞的第一振型破壞相同，第二振型有較大差異。

［1］Masao S.Study on mechanical characteristics complex structure composed of a membrane and a beam of a light-weight string structure［C］.IASS Symposium on Spatial，Lattice，Tension-Structures.Reston，VA:ASCE，1994:632-641.

［2］曾毅恒.張弦拱(拱架)結(jié)構(gòu)性能的實(shí)驗(yàn)研究［D］.北京:中國建筑科學(xué)研究院，2008.

［3］汪大綏，張富林.上海浦東國際機(jī)場(一期工程)航站樓鋼結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999，20(2):2-8.

［4］張 晉，許清風(fēng)，張 鳴，等.拱形張弦膠合木梁結(jié)構(gòu)受力性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35(5):104-113.

［5］北京金土木公司.SAP2000 中文版使用指南［M］.北京:人民交通出版社，2006.