摘要：本課題結(jié)合管桁架結(jié)構(gòu)和張弦梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)和構(gòu)造特點(diǎn)，通過(guò)在管桁架的下弦加豎直撐桿，同時(shí)配置拉索并施加預(yù)應(yīng)力，此即為新型張弦桁架結(jié)構(gòu)。它可以看作是張弦梁加豎直撐桿時(shí)的一種特殊結(jié)構(gòu)形式。張弦桁架結(jié)構(gòu)不僅具有管桁架的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又克服張弦梁的許多不足。

關(guān)鍵詞：新型張弦桁架結(jié)構(gòu)；普通桁架；預(yù)應(yīng)力；動(dòng)力；

1、前言

在鋼結(jié)構(gòu)中采用加預(yù)應(yīng)力的方法，在十九世紀(jì)末就已出現(xiàn).1887年，俄國(guó)專(zhuān)家茹霍夫設(shè)計(jì)的莫斯科百貨商場(chǎng)的拱形屋蓋結(jié)構(gòu)，就是最早的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)之一，美國(guó)、前蘇聯(lián)、德國(guó)都有許多建筑采用了預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)形式。預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)，早在上世紀(jì)70年代就有學(xué)者提出，并在礦山、皮帶運(yùn)輸機(jī)的型鋼桁架結(jié)構(gòu)中運(yùn)用， 預(yù)應(yīng)力鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始研究與應(yīng)用，如上海影業(yè)公司的平板型組合網(wǎng)架，廣東清遠(yuǎn)市、高安市新興、連州市陽(yáng)山縣、廣西桂平市的體育館屋蓋結(jié)構(gòu)都分別采用預(yù)應(yīng)力組合扭網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力雙曲扁網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，還有已經(jīng)通過(guò)國(guó)內(nèi)知名專(zhuān)家組論證，并且應(yīng)用于成都國(guó)際會(huì)議展覽中心的大跨度下弦管內(nèi)預(yù)應(yīng)力空間管桁架結(jié)構(gòu)等等，這些均取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2、模型簡(jiǎn)介

2.1新型張弦桁架模型

模型是在原成都國(guó)際會(huì)議展覽中心空間預(yù)應(yīng)力鋼桁架模型（縮尺1/9）的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到新型空間預(yù)應(yīng)力張弦桁架，桁架的幾何尺寸如圖1所示，跨度11.6m。模型計(jì)算相當(dāng)于柱距6m，恒載0.5KN/m2，活載0.5KN/m2的實(shí)物試驗(yàn)。桁架支座采用橡膠支座，鋼管的彈性模量：E=2.05x105N/mm2 ，鋼管的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：f=215N/mm2， 鋼絞線(xiàn)的彈性模量E=1.95x105N/mm2 ，鋼絞線(xiàn)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：fk=1860N/mm2 ，鋼絞線(xiàn)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fp=1320N/mm2 。

新型張弦桁架的上弦及腹桿采用Φ48×3 Q235鋼管，下弦及撐竿采用Φ76×3.5 Q235鋼管，下弦布置一根7Φ5鋼絞線(xiàn)，支座設(shè)計(jì)為一端固定，另一端作為張拉端，在水平方向可自由滑動(dòng)。張拉預(yù)應(yīng)力為120 kN。

新型張弦桁架結(jié)構(gòu)的尺寸及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

2.2普通桁架模型簡(jiǎn)介

普通桁架結(jié)構(gòu)即等效為與張弦桁架結(jié)構(gòu)等高的普通桁架結(jié)構(gòu)，尺寸及測(cè)點(diǎn)布置如圖2：

3、張弦桁架結(jié)構(gòu)與普通桁架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

用ANSYS軟件對(duì)兩種桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。模態(tài)分析是詳細(xì)的動(dòng)力分析（如諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力等）的基礎(chǔ)。ANSYS的模態(tài)分析是一個(gè)線(xiàn)性分析。

3.1新型度張弦桁架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

通過(guò)ANSYS分析，我們提取到該結(jié)構(gòu)前十階自振頻率分別為11.997Hz、15.065Hz、16.943 Hz 、44.436Hz、45.576Hz 、54.079Hz、64.498Hz、78.559Hz、 91.069Hz 、97.350Hz。限于篇幅，僅附前三階振型圖，分別見(jiàn)圖3、圖4、圖5：

3.2等效普通桁架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

同樣通過(guò)ANSYS分析，我們提取到該結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率分別為12.616 Hz、13.073Hz、 20.003Hz 、43.969Hz、51.611Hz 、55.281Hz、62.549Hz、82.271Hz、85.407Hz 、108.12Hz。限于篇幅，僅附前三階振型圖，分別見(jiàn)圖6、圖7、圖8：

4、結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種桁架結(jié)構(gòu)模態(tài)振型的對(duì)比分析，可以得出如下結(jié)論：

4.1兩種桁架結(jié)構(gòu)的頻率大小相近，振形也相似，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的自振周期和振型形狀基本沒(méi)有改變。在設(shè)計(jì)與計(jì)算過(guò)程中，預(yù)應(yīng)力桁架結(jié)構(gòu)若按非預(yù)應(yīng)力桁架來(lái)考慮各模態(tài)的頻率和振型也能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)的要求。通過(guò)對(duì)陣型對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，兩種桁架的振型可分為兩大類(lèi)：即水平振形和豎向振形。新型張弦桁架以水平振動(dòng)為主，其節(jié)點(diǎn)水平分量很大，豎向分量較小，且以Y方向的水平振形為主，同時(shí)還有以在XY平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)為主的振形。從振型圖中可看出，兩種桁架結(jié)構(gòu)的部分模態(tài)出現(xiàn)了兩個(gè)振型對(duì)應(yīng)的頻率（周期）相近的情況，其原因是在有限元分析過(guò)程中，由于解廣義特征方程時(shí)產(chǎn)生了重根的緣故。豎向振型是各節(jié)點(diǎn)豎向分量很大而水平分量很小的振型。這兩類(lèi)振形常夾雜在一起，甚至還出現(xiàn)振動(dòng)無(wú)序的現(xiàn)象。這些都進(jìn)一步說(shuō)明了桁架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的復(fù)雜性。

4.2新型張弦桁架結(jié)構(gòu)的振形大多為水平和豎向振型的交叉出現(xiàn)。新型張弦桁架結(jié)構(gòu)的前兩階模態(tài)振型為水平振形，周期較長(zhǎng)，分別為0.0833和0.0663，在水平地震作用下，支撐對(duì)桁架結(jié)構(gòu)是特別有利的。從第三階模態(tài)振型開(kāi)始，桁架結(jié)構(gòu)以豎向振動(dòng)為主。第三階模態(tài)振形表現(xiàn)為明顯的豎向振動(dòng)，在豎向地震作用下，桁架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要由此振型分量構(gòu)成。其它振型為水平振型和豎向振型的結(jié)合。桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是由各階振型組合疊加而成，因此，桁架的振動(dòng)響應(yīng)比較復(fù)雜。

4.3新型張弦桁架結(jié)構(gòu)的基本周期與桁架的短向跨度有很大關(guān)系，與支座約束的強(qiáng)弱、荷載大小等略有關(guān)系。

4.4新型張弦桁架結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著預(yù)應(yīng)力的增大而略有增大。但預(yù)應(yīng)力并不能從根本上改變桁架結(jié)構(gòu)原有的動(dòng)力特性，結(jié)構(gòu)構(gòu)成的變化和質(zhì)量的變化仍然是影響結(jié)構(gòu)自振特性的主要因素。

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