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阅读 407 次 张弦梁双索结构有限元分析及应用

摘要:本文对张弦梁双索结构在预拉力状态、正常使用状态以及承载能力极限状态下张弦梁结构的强度和挠度进行了ANSYS有限元分析。钢结构采用Beam188单元,拉索采用Link10单元,根据大挠度分析理论,给出了在最不利荷载组合下的分析结果,为张弦梁双索结构的设计提供了一定的参考价值。...

张弦梁双索结构有限元分析及应用

张鹏   沈林凤     何伟

(陕西省建筑科学研究院  陕西西安)

    一、工程概况

    本工程位于西安市高新区为框架剪力墙结构,主楼地上十二层,地下一层,裙楼地上五层,地下一层。裙房屋面采用张弦梁双索结构玻璃采光顶,高度20.0m,长40.5m,宽16.2m。玻璃采用中空夹层钢化玻璃,总厚度20mm。双索结构受力方向采用φ14拉索,双索结构稳定方向采用φ12拉索。张弦梁结构主钢管采用φ127X7 热轧无缝钢管(Q235), 支撑杆采用φ50X5不锈钢管,受力拉索采用φ22 拉索。

    二、计算说明

   1、采用ANSYS 12.0 软件进行,采用大挠度计算理论,钢结构采用Beam188 单元,拉索采用Link10 单元。

   2、双索结构许用挠度:取L/200,张弦梁结构许用挠度:取L/250。

   3、双索结构受力索和稳定索端部约束:Ux、Uy、Uz

   张弦梁结构右边约束:Ux、Uy、Uz

   张弦梁结构左边约束:Uy、Uz

   4、荷载情况

   恒荷载 : 0.5732 kN/m2    活荷载 : 0.5 kN/m2

图1结构模型及约束示意图

    三、结构分析

    1、荷载组合

    经分析可知,最不利荷载组合如下:

   (1)预拉力状态:(式中Pre 指预拉力)

    COMB1: 1.0×Pre

    COMB2: 1.0×Pre+ 1.0×GK(张弦梁结构)

   (2)正常使用状态:(式中Pre 指预拉力)

COMB3:1.0×Pre+ 1.0×GK +1.0 ×LIVE

   (3)承载能力极限状态:(式中Pre 指预拉力)COMB4:1.0×Pre +1.35×1.0×GK +1.4 ×0.7×LIVE

    2、预拉力状态拉索预张力:(N)

表1  预拉力状态拉索预张力一览表

直径

COMB1

COMB2

φ12拉索

11000

11000

φ14拉索

16000

16000

φ22拉索

18000

59000

3、正常使用极限状态挠度及校核

图2  COMB3 组合下,结构最大位移

                 

图3  COMB3 组合下,张弦梁结构最大位移

   (1)张弦梁结构挠度校核:

    由图2的分析结果可知,在正常使用极限状态, 张弦梁结构最大位移为38.438mm,张弦梁结构跨度为15600mm,校核:μ1/L1=38.438/15600=1/405<1/250结论:挠度满足。

   (2)双索挠度校核:

    由图3的分析结果可知,在正常使用极限状态,结构最大位移出现在双索结构,结构最大位移为μ=43.3mm,双索最大位移处张弦梁结构变形量(即索支座位移量)为38.4 mm,那么双索结构实际变形量为43.3-38.4=4.9mm ,双索最大位移处短跨长度为3240 mm。校核:μ/L=4.9/3240=1/661.22≤1/200结论:挠度满足。

    4、承载能力极限状态轴力及校核

图4  COMB4 组合下,φ12 拉索最大内力(N)

   
  图5  COMB4 组合下,φ14 拉索最大内力(N) 
 
 6 COMB4 组合下,φ22 拉索最大内力(N)

(1)φ12 拉索强度校核:

由图4的分析结果可知,在承载能力极限状态,竖向拉索最大拉力F=11324  N=11.324kNφ12不锈钢拉索最小破断力Fptk=98.7KN, 承载力设计值为:98.7/1.8=54.8 kN,校核: 11.324 kN<54.8 kN,结论:强度满足。

    (2)φ14 拉索强度校核:

由图5的分析结果可知,在承载能力极限状态,竖向拉索最大拉力F=32223 N=32.223 kNφ14不锈钢拉索最小破断力Fptk=134.35KN, 承载力设计为:134.35/1.8=74.6kN,校核: 32.223 kN<74.6 kN ,结论:强度满足。

    (3)φ22 拉索强度校核:

     由图6的分析结果可知,在承载能力极限状态,横向拉索最大F=111255 N=111.255kNφ22不锈钢拉索最小破断力Fptk=325.02KN, 承载力设计为:325.02/2.5=130kN,校核: 111.255kN<130 kN  结论:强度满足。

图7 COMB4 组合下,φ127X7 钢管应力云图

图8 COMB4 组合下,φ50X5 钢管应力云图

(4)φ127X7 钢管强度校核

由图7可知:钢结构最大应力为66.5N/mm2,本工程采用Q235 钢材,Q235 钢材许用应力值为215 N/mm2。因此,φ127X7 钢管强度满足要求。

   (5)φ50X5 钢管强度校核

    由图8可知:钢结构最大应力为133.13 N/mm2,本工程采用316不锈钢管材316不锈钢管材屈服强度为205 N/mm2,许用应力为178 N/mm2。因此,φ50X5 钢管强度满足要求。

    5、钢结构构件长细比计算及校核

    受压构件容许长细比:

    a: 幕墙结构体系钢结构构件受压构件的容许长细比取150;

    b: 桁架中的特殊的受压腹杆,当其内力等于或小于承载力的50%时容许长细比可取200。

表2  张弦梁结构及双索结构构件计算长度及长细比校核表

构件名称

截面规格

面内/面外

最大计算长度

(mm)

回转半径

(mm)

长细比

校核

主钢管

φ127X7

面内

1560

42.5

37

满足

面外

1560

42.5

37

满足

支撑杆

φ50X5

面内

1300

16

81.25

满足

面外

1300

16

81.25

满足

    四、结论

    根据有限元分析结果可知:

    1、在正常使用极限状态下,张弦梁结构及双索结构挠度满足规范规定的允许挠度值;

    2、在承载能力极限状态下,φ12、φ14、φ22拉索以及φ127X7钢管、φ50X5钢管的强度均满足设计要求;

    3、钢结构构件φ127X7钢管及φ50X5钢管的长细比满足规范要求。

    本文采用ANSYS有限元软件,对张弦梁双索结构在预拉力状态、正常使用状态以及承载能力极限状态下张弦梁结构的强度和挠度进行了有限元分析,为张弦梁双索结构结构的设计提供了一定的参考价值。

(本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)

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