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        張力索桁屋蓋設(shè)計與施工

        2021-06-04 07:50:24吳清明丁明剛
        四川建筑 2021年2期
        關(guān)鍵詞:有限元結(jié)構(gòu)

        杜 娟, 吳清明, 丁明剛

        (1. 拉薩市設(shè)計院, 西藏拉薩 850000; 2. 中交通力股份有限公司, 陜西西安 710065)

        1 張力索形桁架結(jié)構(gòu)

        1.1 張力索桁吊橋

        懸索吊橋跨越能力大,斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度大,二者剛、柔特性無法作結(jié)合計算和使用。二者再加大跨徑也困難,可將斜拉橋用作懸索吊橋橋面使用。即將斜拉橋作分段相鄰懸吊組合連接形式,使懸索曲線外形改變成折線形主拉索,與斜拉索相互形成穩(wěn)定三角形桁架。索只具有受拉剛度,利用承重受拉條件,能夠形成張力索形桁架,是傳統(tǒng)形式桁架的“衍生”名稱。折線主拉索使懸吊斜拉橋面軸向受壓,獲得免費軸向預(yù)壓力,使橋面系抗彎剛度加大。張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式,作橋梁使用形成張力索桁吊橋。結(jié)構(gòu)有穩(wěn)定性好、承載剛度大、自重輕、變形小和抗風穩(wěn)定好特點,適合向大跨徑發(fā)展。

        1.2 張力索桁屋蓋

        張力索形桁架是一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式,屋蓋與張力索形桁架作組合應(yīng)用,使大空間建筑變得容易,張力索桁屋蓋新結(jié)構(gòu)應(yīng)用具有實用意義。采用輕型鋼屋蓋結(jié)構(gòu)與張力索形桁架相組合形成,具有空間整體剛度大,穩(wěn)定性好,重量很輕,結(jié)構(gòu)簡單,施工簡便特點。懸索和斜拉索都是高強度索,在屋蓋自重作用小,可形成穩(wěn)定張力索形桁架結(jié)構(gòu)。屋蓋主要起防風、雨、雪、日曬和安裝太陽能電池板作用。索桁內(nèi)力復(fù)雜,建模和計算困難,可采用張力索桁吊橋建模和計算技術(shù)解決。即作有限元實用工程數(shù)值模擬仿真建模大數(shù)據(jù)計算,使用工作站計算簡便,計算結(jié)果全面、直觀,便于作修改和優(yōu)化。張力索桁屋蓋經(jīng)濟性好,用途廣泛。

        2 計算方法

        2.1 有限元模擬仿真計算

        張力索桁屋蓋是新結(jié)構(gòu),必須做科學(xué)計算,以證明其科學(xué)和正確性。唯有采用仿真建模計算密集型大數(shù)據(jù)計算,才能認清其力學(xué)原理和內(nèi)力規(guī)侓。西北工業(yè)大學(xué)王國強教授著有《實用工程數(shù)值模擬技術(shù)……》[2],是對仿真建模計算的引導(dǎo)。張力索桁屋蓋采用索、梁、板單元組合形成,如何作組合建模和作計算,現(xiàn)在問題都能解決。

        2.2 計算軟、硬件

        現(xiàn)在計算機和有限元程序技術(shù)都有很大發(fā)展,已為結(jié)構(gòu)使用仿真建模計算提供了條件,也是世界發(fā)展的趨勢。我國不缺計算機硬件,市場上可買到計算軟件程序,關(guān)鍵是作具體應(yīng)用的經(jīng)驗。聯(lián)想C20工作站內(nèi)存16G,能作百萬單元計算,模型規(guī)模已經(jīng)夠大。

        2.3 抗風穩(wěn)定

        張力索桁屋蓋是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形式,張力索形桁架是空間高大變剛度組合桁架,結(jié)構(gòu)空間剛度大,變形小和抗風穩(wěn)定性好??癸L穩(wěn)定問題主要是陣風作用影響,除對懸吊斜拉索和屋蓋結(jié)構(gòu)剛度適當作加強外,可模擬積雪和風荷載作活荷載加載計算。屋蓋端部應(yīng)設(shè)邊加勁桁架加勁,在兩側(cè)加設(shè)抗風索保持穩(wěn)定,頂面應(yīng)加設(shè)預(yù)拱度排水。

        2.4 技術(shù)發(fā)展

        張力索桁屋蓋是新型張力索桁結(jié)構(gòu),是張力索桁吊橋技術(shù)的使用,是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物?,F(xiàn)在有計算程序和工作站,可使新型張力索桁屋蓋技術(shù)獲得發(fā)展。屋蓋技術(shù)使用場合廣泛,各種技術(shù)難度和造價都高,唯有張力索桁屋蓋技術(shù)先進、合理和經(jīng)濟,適合體育場、展館、商場、車間、車站、倉庫使用,也適合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作溫室種植、養(yǎng)殖科學(xué)發(fā)展,可用于人工改造沙漠。

        3 設(shè)計計算

        3.1 計算方法

        一般結(jié)構(gòu)計算是作簡化近似計算,已不能滿足現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)發(fā)展需要。采用仿真建模大數(shù)據(jù)計算,使計算全面和詳細,全面反映內(nèi)力真實情況。只是不同單元建模困難,大規(guī)模單元數(shù)量計算困難。

        3.2 仿真建模

        3.2.1 建模原理

        有限元程序是先將結(jié)構(gòu)作離散單元劃分,然后再作數(shù)學(xué)計算,計算是對結(jié)構(gòu)偏微分方程作積分求解。有限元計算原理有(美)J.S.《矩陣結(jié)構(gòu)分析理論》[1],是結(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)計算方法科學(xué)先進,已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。

        3.2.2 建模技術(shù)

        建模原理:梁單元連接、索應(yīng)力剛化、計算密集型大數(shù)據(jù)計算,詳見《實用工程數(shù)值模擬仿真建模計算》內(nèi)容。

        3.3 仿真建模應(yīng)用

        3.3.1 CAD技術(shù)

        有限單元法計算結(jié)構(gòu)模型繪圖,已經(jīng)結(jié)合了CAD繪圖建模技術(shù),使結(jié)構(gòu)模型建模繪圖很方便。仿真建模的單元類型多,使結(jié)構(gòu)組合建模發(fā)生困難。在不同單元之間,可以按需要加設(shè)梁連接單元。使用靈活、方便,即梁與梁、梁與板、桁架與板之間都可加設(shè)梁連接單元。

        3.3.2 MIDAS/CIVL邁達斯程序建模

        3.3.2.1 建模

        邁達斯程序界面好,采用CAD建模方便易學(xué),對索單元采用應(yīng)力剛化。索應(yīng)力剛化是采用名義彈性模量E=4×1.95×1011=7.80×1011Pa,自己定義輸入E=7.8×1011Pa經(jīng)驗值方法很簡單、實用。

        3.3.2.2 功能

        結(jié)構(gòu)作仿真建模,是將模型簡化為節(jié)點、線、面和塊體單元顯示,邁達斯程序最大單元計算控制數(shù)量在100萬以內(nèi)。程序具有消隱顯示功能,直接顯示出結(jié)構(gòu)真實立體外形,形象直觀,便于分析和檢查模型的合理性,也便于對模型再優(yōu)化。

        3.3.2.3 張力索桁屋蓋建模

        張力索桁屋蓋作仿真建模,模型有索、梁和板三種單元類型,并有梁-板和板-桁結(jié)構(gòu)相互組合。索、梁單元建模簡單,以縱、橫梁與板相互間配合組合復(fù)雜,需要添加梁連接單元作組合,板單元劃分較細,使總單元數(shù)量很龐大。但單元建模有規(guī)侓性可循,可利用結(jié)構(gòu)對稱性作簡化,使仿真建模簡便。

        3.3.2.4 建模經(jīng)驗

        CAD程序節(jié)點和單元建模、移動、復(fù)制和修改功能都很強,很簡便、靈活、實用。板單元具有建模、移動、旋轉(zhuǎn)和復(fù)制等功能,也簡便、靈活、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°角度即可。折線主拉索可以修改拋物線索形成??v、橫梁和縱梁與板相互組合建模,加設(shè)梁連接單元簡便,先建立一定單位長度基本節(jié)段,再作節(jié)段復(fù)制簡單。屋面段斜拉索先作移動、復(fù)制和修改,移動懸吊節(jié)點形成方便。

        3.3.2.5 MIDAS/CIVL程序計算

        對邁達斯程序作索應(yīng)力剛化,采用名義彈性模量E=4“E”作計算,修改索單元彈模賦值方便,同理可應(yīng)用于其他結(jié)構(gòu)程序作計算。對索單元作應(yīng)力剛化數(shù)值量化,使應(yīng)力剛化概念更直觀。張力索桁屋蓋結(jié)構(gòu)的空間約束扭轉(zhuǎn)作用大,唯仿真建模計算最清楚。

        4 張力索桁屋蓋特性

        4.1 技術(shù)先進性

        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,是新的大跨度結(jié)構(gòu)發(fā)展方向。屋蓋結(jié)構(gòu)僅承受風、雨、雪荷載,結(jié)構(gòu)是自重小的輕型鋼桁、梁骨架,跨度適合100~500 m,以寬度10 m為基本單元可組合形成任意寬度,即形成任意大、小矩形屋蓋,遠超過其他任何結(jié)構(gòu)形式屋蓋。

        4.2 結(jié)構(gòu)特性

        張力索桁屋蓋結(jié)構(gòu)是獨立懸吊體系,由塔架、錨碇、纜索和屋蓋組合形成,使用具有調(diào)整方便靈活的特點。屋蓋結(jié)構(gòu)簡單,由鋼管倒三角形桁架梁與拉索相組合,形成張力索形桁架梁,承受寬度以10 m為基本單元的橫、縱輕型鋼梁重量,在縱梁上安裝屋面薄鋼板、采光板、太陽能電池板。屋面薄鋼板、采光板、太陽能電池板都設(shè)有邊框架,以便于加工、安裝和維修。張力索形桁架梁為空間結(jié)構(gòu),豎向承載剛度大,橫向空間剛度也大,故10 m單元寬度的自身穩(wěn)定性好。按10 m單元寬度作多個單元用橫梁作組合,整體屋蓋的剛度很大,穩(wěn)定性很好。

        4.3 技術(shù)應(yīng)用

        張力索桁屋蓋是懸吊結(jié)構(gòu),屋蓋復(fù)蓋面積大、小可靈活變化使用,既可與所復(fù)蓋結(jié)構(gòu)相結(jié)合,也可獨立配合復(fù)蓋已有結(jié)構(gòu),如露天體育場、館。屋蓋復(fù)蓋面積大、小按需要而定,使其經(jīng)濟合理,經(jīng)濟性受塔柱和錨碇影響大。高塔架可以是鋼管、鋼筋砼或鋼管砼桁架,錨碇可采用預(yù)應(yīng)力樁—板組合或箱形重力式結(jié)構(gòu),充分利用地基抗力作用。主拉索垂/跨比選擇,可使內(nèi)力合理和經(jīng)濟,斜拉索分段長度應(yīng)合理。屋蓋結(jié)構(gòu)都采用統(tǒng)一標準,以方便設(shè)計、加工和施工。

        5 算例

        5.1 模型數(shù)據(jù)

        面積A=300×500 m2, 跨度L=300 m, 寬度B=500 m, 單元寬度b=10 m。

        建模面積F=(L/2)×(B/3)=150×170 m2,加勁桁架高度h=3 m,寬度b=5 m。

        弦桿鋼管φ200×6 mm,腹桿鋼管φ120×6 mm, 橫梁方鋼管□200 mm×150 mm×6 mm。

        縱梁方鋼管□160 mm×120 mm×4 mm,屋面板□1000 mm×1000 mm×3 mm,屋面板邊框角鋼L=50 mm×50 mm×4 mm。

        屋面板連接桿角鋼L=50 mm×50 mm×4 mm,縱梁連接桿角鋼L=50 mm×50 mm×4 mm。

        桁架弦桿連接桿角鋼L=100 mm×100 mm×10 mm,縱與橫梁連接桿角鋼L=100 mm×100 mm×10 mm。

        塔柱變徑鋼管φ2000(小1000)×20 mm,塔柱頂橫梁工字鋼Ⅰ500×12 mm,索鞍d=500 mm。

        主拉索(垂/跨)=F/L=1/15,主拉索n=2×7×φ15.24 mm鋼絞線,斜拉索n=2×φ15.24 mm鋼絞線。

        5.2 仿真建模

        風、雨、雪荷載,采用恒載加大系數(shù)1.3。

        模型:L=300 m,節(jié)點540 283,單元780 606(梁370 906、板409 700)。

        塔架:變徑鋼管按板單元建模。

        5.3 大數(shù)據(jù)計算

        聯(lián)想C20工作站,內(nèi)存16G,顯存4G,計算機時約2 h。

        計算結(jié)果圖:圖1~圖4。

        圖1 反力Rx、Ry、Rz

        圖2 單元內(nèi)力Fx

        圖3 寬度10m 板單元內(nèi)力Fx

        圖4 寬度10m 梁單元內(nèi)力Fx

        5.4 計算結(jié)論

        張力索桁屋蓋數(shù)值模擬仿真建模大數(shù)據(jù)計算,進行順利并成功。計算成果全面,云圖顯示形象清楚,便于認識結(jié)構(gòu)特性。證明張力索桁屋蓋結(jié)構(gòu)科學(xué)合理,安全可靠,技術(shù)先進,施工簡便經(jīng)濟。張力索桁屋蓋劃分為基本單元的仿真建模方法正確、合理、簡單,便于作任意橫向復(fù)制加寬。對張力索桁屋蓋基本單元作單獨計算,證明結(jié)構(gòu)剛度大和穩(wěn)定性好,與橫向加寬后整體計算結(jié)果相近。屋面鋼板張力剛度大是其特點,證明整體屋蓋整體剛度大和穩(wěn)定性好。張力索桁屋蓋平面建模方便,施工中利用加勁桁架加設(shè)排水預(yù)拱度。

        6 施工

        6.1 索長計算

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

        6.2 安裝

        在地面上制索、安裝索夾和斜拉索,并作好拉索環(huán)氧聚合物膩子注[3]防護。用吊車將拉索吊入索鞍,并在錨碇作準確錨固,完成拉索安裝。

        6.3 架設(shè)

        在地面分節(jié)段作倒三角形加勁桁架鋼管拼裝,并安裝好橫、縱輕型鋼梁,作好防護處理。在懸吊拉索上設(shè)起吊點,將節(jié)段倒三角形加勁鋼管桁架提升就位安裝,從跨度中央向兩邊安裝,并逐一處理接頭連接。在屋蓋桁架安裝后,索桁屋蓋結(jié)構(gòu)將自動張拉成型,最后安裝屋面鋼板及防護處理。

        7 結(jié)束語

        7.1 索桁桁架

        對張力索桁吊橋技術(shù)的研究,誕生出張力索形桁架和張力索桁屋蓋新技術(shù),具有創(chuàng)新發(fā)展意義。

        7.2 仿真建模

        有限元實用工程數(shù)值模擬技術(shù),適合作仿真建模計算。采用梁連接單元的特性函義,使連接組合單元數(shù)量大為簡化,是有限元程序技術(shù)的使用技巧,解決了建模困難,使仿真建模變得簡單、實用。

        7.3 索應(yīng)力剛化

        高強度預(yù)應(yīng)力索在有限元程序中應(yīng)用,需要作索應(yīng)力剛化,使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和坐標保持不變。采用名義彈性模量E=7.8×1011Pa經(jīng)驗值作索應(yīng)力剛化的量化,使用簡便。

        7.4 大數(shù)據(jù)計算

        使用有限元程序作仿真建模,結(jié)構(gòu)單元和梁連接單元數(shù)量都龐大,需要作計算密集型大數(shù)據(jù)計算,現(xiàn)在工作站可滿足計算需要,解決了特大跨度屋蓋技術(shù)發(fā)展的困難。

        7.5 板—桁結(jié)構(gòu)

        張力索形桁架是穩(wěn)定桁架結(jié)構(gòu)形式,宜按板—桁架結(jié)構(gòu)概念設(shè)計屋面加勁桁架,對結(jié)構(gòu)作整體計算。

        7.6 張力索桁屋蓋發(fā)展

        張力索桁屋蓋新技術(shù)結(jié)構(gòu)自重輕,抗彎剛度大和穩(wěn)定性好,施工技術(shù)簡單,具有明顯經(jīng)濟和技術(shù)竟爭優(yōu)勢。各種大屋蓋技術(shù)都復(fù)雜和困難,張力索桁屋蓋技術(shù)用途廣泛,將會迎來新發(fā)展。

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