郭 聰 肖 虹 蔣 熙 黎春榮 翁林濱

（湖南城市學(xué)院，湖南 益陽 413000）

隨著科技的日益發(fā)展，人們生活需求的提高涌現(xiàn)出越來越多的大跨度空間結(jié)構(gòu)。大跨度空間結(jié)構(gòu)作為當(dāng)今世界發(fā)展最快的結(jié)構(gòu)類型之一，代表著一個國家建筑科技的總體水平。其選型對于建筑的美觀性、經(jīng)濟性和施工的難易性至關(guān)重要。但大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中, 還存在著一些問題急需解決，需要對其進(jìn)行設(shè)計上的優(yōu)化，使大跨度空間結(jié)構(gòu)設(shè)計更加適用、可靠與經(jīng)濟。大荷重比的輕型結(jié)構(gòu)適用于工業(yè)化建造的逐步受到關(guān)注。輕型結(jié)構(gòu)建筑建立在對結(jié)構(gòu)體系和材料研究的基礎(chǔ)上，使建筑向輕質(zhì)化、快速化發(fā)展成為可能，能夠提高建造效率及材料利用率，減少對環(huán)境的負(fù)面影響。

1 模型制作與優(yōu)化

大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載較敏感，在建筑物使用中容易因過大的風(fēng)荷載導(dǎo)致屋蓋破壞。大跨度屋蓋在強風(fēng)的作用下可能出現(xiàn)的破壞形態(tài)主要包括：維護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、剛性結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷破壞和柔性結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的氣彈失穩(wěn)破壞[1][2]，因此制作模型時尤其要考慮到模型承受水平荷載的能力。

1.1 模型方案選擇

方案1由四個柱子制作成一種倒“V”型的樣式，見圖1，柱底略微削成一定的角度，使其向外傾斜，使受力更加合理。四個柱子之間增加橫向聯(lián)系，連接彼此，提高結(jié)構(gòu)的整體性。在加豎向靜荷載時，豎向撓度變形過大，拉索撕裂，模型整體垮塌。方案2采用內(nèi)斜撐的形式，見圖2，在橫向聯(lián)系與柱子的結(jié)點處，做了小斜撐，使其局部加強，錨固端處截面厚度增大，更好地應(yīng)對應(yīng)力集中的問題。

圖1 方案1

圖2 方案2

選型后方案三采用“田”字形箱型柱子，見圖3，相當(dāng)于在柱子內(nèi)部增加了肋，此種截面形式，很大程度上提高了柱子的軸向承壓荷重比，也提高了柱子的抗彎強度和抵抗壓桿失穩(wěn)的能力增強了模型整體的剛度、強度和穩(wěn)定性。

圖3 方案3

2 拉索抗拉性能試驗

本次模型采用長條形拉索（如圖4）作為模型主要的承力構(gòu)件。實驗研究紙張的受拉性能，并確定拉索的極限抗拉強度值。加載設(shè)備為WDW微機控制電子萬能試驗機。主要用于金屬、非金屬以及構(gòu)件進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、剝離、撕裂等試驗。加載范圍50kN～1000kN。

圖4 拉索2、3、4層幾何尺寸/mm

對紙質(zhì)拉索進(jìn)行單向拉伸破壞試驗，試件分為長度300mm，寬度15mm，分為2、3、4、5層四個等級，每個等級各取三個樣本；另有三個樣本，試件長度300mm，寬度18mm，層數(shù)為3層。試件的平均抗拉強度值見表1。對于寬度、長度一定的紙帶，極限抗拉強度和層數(shù)呈線性變化，即紙帶拉伸破壞所需的承載力與其拉伸的有效橫截面面積成正比關(guān)系。

表1 試件參數(shù)

圖5 紙帶拉力-變形曲線

從圖5紙帶拉伸力-變形曲線中可以看出紙質(zhì)材料的拉伸曲線基本上是一條微彎的曲線，沒有明顯的屈服現(xiàn)象，試件從開始直到拉斷，變形都很小，紙張的層數(shù)的變化對材料的延伸率影響不大，屬于脆性材料。

根據(jù)有關(guān)試驗研究表明，拉索的極限應(yīng)力與有效橫截面積有關(guān)，且拉索在偏心拉力的作用下，偏心距會削弱試件的承載能力，試件長度越小，偏心距對極限承載力的影響越明顯，試件加長，會削弱偏心距對極限承載力的影響，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要加強對拉索構(gòu)件偏心問題的注意。

2.1 模型建立與計算

對方案三選型，采用Midas Civil 軟件進(jìn)行建模，見圖6。結(jié)合實際中主要影響大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的橫向風(fēng)荷載與豎向永久荷載，此試驗采用了給模型施加20kg豎向荷載和水平?jīng)_擊荷載。

圖6 Midas Civil建模圖

2.2 模型受力計算

如圖7 所示，由于模型結(jié)構(gòu)形式的特點，使得1、2 號柱子梁單元會承受很大的彎矩，1號單元的彎矩-3401.89N·mm，2號單元的彎矩-3390.96N·mm；圖8 和圖9 所示，1-4 號柱子梁單元的最大軸力為1號單元所承受的-1149.35N，加載試驗結(jié)果表明，主要受力和發(fā)生位移的為1號單元與2號單元，可適當(dāng)增加該部位截面，提高模型抵抗壓桿失穩(wěn)的能力。

圖7 柱子（梁單元）Myz圖

圖8 柱子（梁單元）Fx圖

圖9 位移變形圖

3 結(jié)語

對于多重荷載作用下大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)選型及受力情況探索研究，我們從桿件截面分析、模型方案選擇到桿件抗拉、壓試驗，物理建模，受力計算，經(jīng)歷了一個完整的工程項目。在反復(fù)的設(shè)計與試驗中，通過對于模型不斷完善與優(yōu)化，獲得了以下認(rèn)識：①對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)可采用剛拉索結(jié)構(gòu)，能極大的節(jié)約成本；②受風(fēng)荷載較為嚴(yán)重的一側(cè)，應(yīng)增加拉索的強度，加強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。