吳清明,丁明剛,杜 娟

(1. 中交通力股份有限公司, 四川成都 610000; 2. 拉薩市設(shè)計院, 西藏拉薩 850000)

1 張力索形桁架結(jié)構(gòu)

1.1 張力索形桁架

張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式，采用輕型鋼管平面框架與張力索形桁架相組合，可作成空間張力索形桁架。結(jié)構(gòu)整體剛度大，穩(wěn)定性好，重量很輕，結(jié)構(gòu)簡單，施工簡便，經(jīng)濟(jì)合理。折線拉索和斜拉索都是高強(qiáng)度索，有輕型鋼管平面框架自重作用，可形成空間穩(wěn)定索形桁架。

1.2 張力索桁溫室

1.2.1 拱棚塑膜溫室

張力索形桁架與拱棚作組合應(yīng)用，在張力索形桁架上加蓋拱棚塑膜溫室。室內(nèi)開間很大，多跨連續(xù)可實現(xiàn)大面積農(nóng)田覆蓋，起到保溫,防風(fēng)、雹、雪和保水作用，技術(shù)先進(jìn)、簡單、經(jīng)濟(jì)實用，適合使用農(nóng)機(jī)耕作，適合用于荒地、沙漠作生態(tài)改造。但是塑膜壽命僅6～18個月，成本較高，只適合作簡易拱棚溫室。

1.2.2 三角形屋面桁架玻璃溫室

張力索形桁架與三角形桁架作組合應(yīng)用，在張力索形桁架上加設(shè)三角形桁架和屋面檁條，安裝形成玻璃溫室。室內(nèi)開間很大，多跨連續(xù)可實現(xiàn)大面積農(nóng)田覆蓋，起到保溫，防風(fēng)、雹、雪和保水作用。采用先進(jìn)建筑科學(xué)技術(shù)，技術(shù)簡單，耐久性好，適合使用農(nóng)機(jī)耕作，改進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)、牧業(yè)種植、養(yǎng)殖生產(chǎn)環(huán)境條件，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益?？膳c太陽能電池板發(fā)電相結(jié)合，更為經(jīng)濟(jì)合理。玻璃溫室經(jīng)久耐用，其價格雖高于塑膜10倍，但后期節(jié)省維護(hù)和更換成本，總體經(jīng)濟(jì)效益良好。

2 設(shè)計

2.1 有限元模擬計算

張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室都是新型結(jié)構(gòu)，采用索、梁單元組合形成，必須做科學(xué)計算，以證明其科學(xué)和正確性。采用有限元法作實用工程數(shù)值模擬建模計算，能夠認(rèn)清其力學(xué)原理和內(nèi)力規(guī)侓。西北工業(yè)大學(xué)王國強(qiáng)教授著有《實用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS上的實踐》[1]，是對模擬建模計算的引導(dǎo)。

2.2 抗風(fēng)穩(wěn)定

張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式，張力索形桁架是高大的變剛度桁架，結(jié)構(gòu)整體剛度大，變形小和抗風(fēng)穩(wěn)定性好。塑膜適宜作拱棚張拉使用，扁平的拱棚對風(fēng)作用的影響小，滿足了塑膜張拉和排水需要，很適合作成預(yù)制單元，安裝和使用更換簡便。屋面桁架玻璃溫室高度較小，對風(fēng)作用的影響小，滿足排水需要。也有陣風(fēng)壓力影響抗風(fēng)穩(wěn)定問題，除對平面框架結(jié)構(gòu)作剛度加強(qiáng)外，主要是模擬積雪和風(fēng)荷載作活荷載作加載計算，在兩側(cè)加設(shè)抗風(fēng)索保持穩(wěn)定，跨中頂面加設(shè)縱向預(yù)拱度排水。

2.3 張力索桁溫室特點

2.3.1 拱棚塑膜溫室

張力索桁拱棚塑膜溫室是新型索桁結(jié)構(gòu)，由張力索形桁架與拱棚塑膜二者相組合，各有其功能和特點，充分發(fā)揮各自的獨特作用，使施工簡便，維修方便。張力索形桁架是主要承力結(jié)構(gòu)，索的強(qiáng)度很高，很適合作大跨度和連續(xù)多跨使用，張力空間索桁的技術(shù)先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)?？v梁形式簡、繁均可，采用鋼管或輕型U形鋼結(jié)構(gòu)，U形梁兼作排水槽，剛度大便于行人作架設(shè)安裝、塑膜維護(hù)和保溫操作。拱棚適合塑膜張緊成型，采用輕鋼或鋼管φ30 mm和鋼筋D=6.5 mm拉桿作矢高h(yuǎn)=80 cm自身平衡的弓弦梁骨架，按間距2 m分個長度4 m單元制作，簡便，便于安裝、維修和排水。在拱棚兩端設(shè)木條邊梁固定弓弦梁，采用多根竹桿支撐作整體穩(wěn)定，以便拱棚作單元預(yù)制和安裝。一般在縱梁鋼管下安裝聚酯塑布吊袋槽排水，使排水施工和維修簡便。

2.3.2 屋面玻璃溫室

屋面玻璃溫室與拱棚塑膜溫室功能相當(dāng)，耐久性更好。采用輕鋼或角鋼L50×50×4作三角形桁架和屋面檁條，按桁架高度1 m和間距2 m 架設(shè)，施工架設(shè)、安裝和維修方便。

3 計算

3.1 方法

采用有限元實用工程數(shù)值模擬建模計算，對鋼管縱、橫梁的平面框架結(jié)構(gòu)，可以作簡化近似計算，不影響張力索形桁架的內(nèi)力，使計算工作簡單。計算結(jié)果全面、詳細(xì)，能夠全面反映內(nèi)力真實情況。

3.2 建模

3.2.1 建模原理

有限元程序是先將結(jié)構(gòu)作劃分單元離散處理，然后再作數(shù)學(xué)計算處理，計算是對結(jié)構(gòu)偏微分方程作積分求解。有限元法計算原理有(美)J.S.《矩陣結(jié)構(gòu)分析理論》[2]，結(jié)構(gòu)體系作內(nèi)、外力平衡計算，按單元剛度作內(nèi)力分配和傳遞，矩陣力學(xué)計算方法先進(jìn)科學(xué)，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。

3.2.2 建模技術(shù)

張力索桁折線拉索采用高強(qiáng)度鋼絞線，索單元計算有彈性延伸變形，采用名義彈性模量作索單元應(yīng)力剛化，使模擬簡化建模計算簡便，索應(yīng)力剛化請詳見《實用工程數(shù)值模擬仿真建模計算》內(nèi)容。

3.2.2.1 塑膜溫室建模

張力索桁拱棚塑膜溫室建模和屋面桁架玻璃溫室模型，有索、梁兩種單元類型，索、梁單元建模簡單，縱、橫梁相互間配合組合亦簡單。單元建模有規(guī)侓性可循，可利用結(jié)構(gòu)對稱性作簡化，使模擬建模簡便。

3.2.2.2 MIDAS/CIVL程序計算

對邁達(dá)斯程序索單元作應(yīng)力剛化，采用名義彈性模量E=4×1.95×1011=7.80×1011MPa作計算，修改索單元彈性模量賦值方便，輸入自己定義名義彈性模量E=7.80×1011MPa經(jīng)驗值，采用索應(yīng)力作安全控制。

3.2.2.3 建模經(jīng)驗

邁達(dá)斯程序節(jié)點和單元建模、移動、復(fù)制和修改功能強(qiáng)，簡便實用。拋物線索建模，可利用程序基本結(jié)構(gòu)拱建模助手，將自動形成拱曲線旋轉(zhuǎn)-180 °即可。折線拉索可以修改拋物線索形成?？v、橫梁均為鋼管相互組合建模，可以作直接相連接的簡化處理，先建立一定長度基本節(jié)段，再作節(jié)段復(fù)制很簡單，斜拉索建模形成方便。

4 塑膜溫室特性

4.1 技術(shù)先進(jìn)性

張力索桁結(jié)構(gòu)是新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮索的高強(qiáng)度優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)自重輕、整體剛度大和穩(wěn)定性好，使其具有大跨度能力。拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室結(jié)構(gòu)僅承受風(fēng)、雨、雪、雹荷載，結(jié)構(gòu)是自重小的輕型鋼管梁骨架，跨度40～120 m單跨或連續(xù)多跨均可，跨度小的塔柱高度小。以寬度10 m為基本單元較適合，可組合形成任意寬度的矩形大型塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室，等于是將地面的溫室懸吊在空中，形成農(nóng)業(yè)溫室大車間。

4.2 技術(shù)應(yīng)用

張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室是懸吊結(jié)構(gòu)，溫室復(fù)蓋面積大、小，應(yīng)按需要而定，使其經(jīng)濟(jì)合理，經(jīng)濟(jì)性受塔柱和錨碇影響大。塔架可以是鋼管或鋼筋混凝土柱，采用弧形鋼板索槽與抹黃油作索鞍，錨碇可采用預(yù)應(yīng)力樁—板組合式結(jié)構(gòu)，充分利用地基抗力作用，跨度小和連續(xù)多跨最為經(jīng)濟(jì)。主拉索的垂/跨比選擇，可使其內(nèi)力合理和經(jīng)濟(jì)，斜拉索分段長度也應(yīng)合理。張力索桁屋面桁架玻璃溫室是耐久結(jié)構(gòu)，更適合農(nóng)業(yè)發(fā)展需要。

5 算例

5.1 模型數(shù)據(jù)

屋蓋面積A=300×300m2,跨度l=60m,長度L=300m, 寬度(任意)B=300m。

基本單元寬度b=10m，對稱性計算建模面積F=(L/2)×(B/2)=150×150m2。

弦桿鋼管φ80×3mm，橫梁鋼管φ50×3mm。

塔柱變徑鋼管φ800×6mm，塔柱頂橫梁工字鋼Ⅰ500×12mm，索鞍d=500mm。

主拉索(垂/跨)=F/L=1/20，主拉索n=7×φ15.24鋼絞線，斜拉索n=φ15.24鋼絞線。

5.2 建模

風(fēng)、雨、雪(雹)荷載，采用恒載加大系數(shù)1.5考慮。

塑膜溫室模型：L=60m，節(jié)點27 554，梁單元35 200。

玻璃溫室模型：L=60m，節(jié)點8 078，梁單元21 712。

塔架：變徑鋼管按板單元建模。

5.3 計算

聯(lián)想C20工作站、PC微機(jī)均可。

5.3.1 拱棚塑膜溫室

計算結(jié)果：圖1～圖4。

圖1 計算反力：Rx、Ry、Rz

圖2 計算變形

圖3 計梁單元內(nèi)力：Fx

圖4 單元寬度10m 計算梁單元內(nèi)力：Fx

5.3.2 屋面玻璃溫室

計算結(jié)果：圖5～圖8。

圖5 計算反力：Rx、Ry、Rz

圖6 計算變形

圖7 計算內(nèi)力：Fx

圖8 單元寬度10m 計算內(nèi)力：Fx

5.4 計算結(jié)論

張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室，按有限元實用工程數(shù)值模擬建模計算獲得成功，計算順利。計算成果全面，云圖顯示形象清楚，便于認(rèn)識結(jié)構(gòu)特性。充分證明張力索桁拱棚塑膜溫室結(jié)構(gòu)簡單、先進(jìn)合理，施工簡便，經(jīng)濟(jì)合理。張力索桁塑棚溫室采用10 m寬度基本單元建模，便于作任意橫向加寬復(fù)制。對張力索桁拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室作單元計算，證明結(jié)構(gòu)剛度大和穩(wěn)定性好，與橫向加寬后的整體計算結(jié)果接近。

6 施工

6.1 索長計算

測定塔柱和錨碇的實際位置坐標(biāo)和高程，用于建模設(shè)計作修正計算。再量測確定拉索的分段和斜拉索的長度，按各計算拉力計算彈性延伸長度，用各計算索長扣除其彈性延伸長度，即得到錨固、索鞍和索夾的位置和下料計算長度，并作好標(biāo)志備用。

6.2 安裝

在地面作簡單鋼管平面框架鋼管框架拼裝，作好結(jié)構(gòu)防護(hù)。并在拉索安裝好索夾和斜拉索，作好與平面框架鋼管的連接，完成拉索和斜拉索環(huán)氧聚合物膩子[3]防護(hù)。

6.3 架設(shè)

在塔柱設(shè)提升吊點，在跨中用吊車作提升平面框架，比設(shè)計位置高1～2 m，對索在鞍位置先作預(yù)彎曲成型，將拉索提升安裝就位和作好錨固，再逐漸降落平面框架，完成拉索的自動張拉。最后作拱棚塑膜溫室和屋面桁架玻璃溫室單元預(yù)制和安裝，再在縱梁鋼管下安裝聚酯塑布吊袋槽排水。

7 結(jié)語

7.1 張力索桁結(jié)構(gòu)意義

對懸索吊橋技術(shù)的發(fā)展研究，引出張力索形桁架、張力索桁溫室，是結(jié)構(gòu)力學(xué)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

7.2 索應(yīng)力剛化

高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力索在有限元程序中應(yīng)用，采用名義彈性模量E=7.80×1011經(jīng)驗值作量化處理，避免結(jié)構(gòu)剛度矩陣和坐標(biāo)發(fā)生變化，使用簡便、合理。

7.3 計算

使用有限元實用工程數(shù)值模擬建模計算，PC微機(jī)可滿足計算需要，可解決大跨度張力索桁溫室的計算。

7.4 應(yīng)用

張力索桁溫室結(jié)構(gòu)自重很輕，高強(qiáng)度索起到穩(wěn)定空間桁架作用，抗彎剛度大和穩(wěn)定性好，具有明顯經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)技術(shù)簡單，對現(xiàn)代農(nóng)、牧業(yè)種植、養(yǎng)殖發(fā)展用途廣泛，塑膜溫室簡單和經(jīng)濟(jì)，玻璃溫室耐久性很好。

7.5 發(fā)展

溫室的發(fā)展受造價的影響大，張力索桁溫室是將地面拱棚塑膜溫室和桁架玻璃溫室提升到空中，形成超大型溫室車間，便于農(nóng)機(jī)使用，更經(jīng)濟(jì)合理。張力索桁技術(shù)優(yōu)勢明顯，對發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)意義重大。