1.緒論

隨著人類生產(chǎn)、生活的不斷推進，人們對大跨度高性能建筑物的需求不斷增加。近幾年，隨著奧運會、世博會、世界杯等重大的國際性活動的舉行，大跨度空間結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外發(fā)展迅速。這些大跨度的建筑所具有的共同特點是：質(zhì)量輕、造型美觀、受力合理、抗震性能好等。并且隨著計算理論逐步完善，跟計算機技術(shù)的的突破性發(fā)展，新結(jié)構(gòu)形式與施工方法的不斷出現(xiàn)以及新穎、高強、輕質(zhì)材料的應(yīng)用，這使得更多的大跨度新空間結(jié)構(gòu)形式成為可能[1-2]�？臻g結(jié)構(gòu)具有受力更加合理、跨度大、建筑形式多樣，但是在實際工程中僅采用單一的結(jié)構(gòu)形式常常會存在一定的缺陷。為了充分地利用材料性能，結(jié)合各種結(jié)構(gòu)的特點，將不同類型的結(jié)構(gòu)形式按一定規(guī)律結(jié)合而形成新型結(jié)構(gòu)體系，如拱支結(jié)構(gòu)、斜拉結(jié)構(gòu)、弦支結(jié)構(gòu)等[3]。張弦桁架結(jié)構(gòu)是把預(yù)應(yīng)力拉索跟桁架結(jié)構(gòu)雜交得到的一種新結(jié)構(gòu)形式，由于在大跨度方面所具有的優(yōu)越性，并且其結(jié)構(gòu)形式簡潔，受力明確，建筑效果多樣，因此也是一種被廣泛應(yīng)用的新型大跨度空間結(jié)構(gòu)形式，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 張弦桁架的簡介

1.1.1 張弦桁架結(jié)構(gòu)的定義
隨著人們對張弦梁受力特點及結(jié)構(gòu)形式的深入研究而衍生出的一種新的結(jié)構(gòu)形式張弦桁架結(jié)構(gòu)。張弦梁結(jié)構(gòu)，最初是由“將弦進行張拉、與梁組合”這一基本形式而得名�！坝脫螚U連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件而形成的自平衡體系”這一張弦梁結(jié)構(gòu)概念最早是由日本大學(xué) M．Saitoh 教授首先提出的[5]。張弦結(jié)構(gòu)所具有的共同特點是將上部剛性構(gòu)件（桁架、型鋼梁）跟下部柔性拉索通過撐桿連接而成的，然后再對拉索預(yù)先施加預(yù)應(yīng)力，使張弦結(jié)構(gòu)體系形成整體剛度，因此能承受較大的荷載實現(xiàn)更大的跨度[6]。如圖 1.1。張弦桁架結(jié)構(gòu)就是將張弦梁結(jié)構(gòu)中的上弦梁構(gòu)件替換為上弦拱形桁架。
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1.2 ANSYS 的二次開發(fā)的研究現(xiàn)狀
ANSYS 做為一款大型通用性有限元分析軟件，其應(yīng)用范圍涵蓋了許多行業(yè)，但是對于某個專業(yè)領(lǐng)域而言，具體的操作步驟時很繁瑣的，并且其具體的操作界面是全英文的，會對國內(nèi)很大一部分人員的使用產(chǎn)生不便。由于 ANSYS 是通用性軟件在對具體的問題分析時不會給予專業(yè)性的建議，ANSYS 也不能在操作人員分析錯誤時提供合理的建議方法。因此往往需要依靠有經(jīng)驗的分析人員對具體的問題不斷進行優(yōu)化，還要花費大量的時間跟精力對結(jié)果進行不斷調(diào)試。為了將ANSYS 在各個領(lǐng)域中應(yīng)用更加的方便快捷，就衍生出了關(guān)于 ANSYS 的二次開發(fā)，以及在 ANSYS 基礎(chǔ)上二次開發(fā)的某專業(yè)的專用軟件。ANSYS 軟件為了解決各個專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用問題提供了專門的二次開發(fā)功能。在具體的二次開發(fā)時一般是應(yīng)用 APDL 進行參數(shù)化建模跟分析，可以省去操作人員大量的重復(fù)性的操作，同時也便于修改。ANSYS 提供的 UIDL 用于ANSYS 操作界面的開發(fā)，可以用此種語言對系統(tǒng)菜單選項、對話框等按用戶的需求進行編輯[9-10]。此外還可以結(jié)合 VB、VC 等語言跟 ANSYS 進行結(jié)合，VB等開發(fā)語言可以設(shè)計出良好的人際交互式界面便于操作人員進行數(shù)據(jù)輸入，然后再將生成的文件跟 ANSYS 對接即可完成有限元分析[11-12]。關(guān)于 ANSYS 的二次開發(fā)應(yīng)用研究早已經(jīng)開始了。例如，郭士雄,李國強[13]通過 UIDL 定制出用于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計的人機交互界面跟對話框等，然后再利用APDL 經(jīng)行參數(shù)化建模、加荷載、分析等。
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2.張弦結(jié)構(gòu)基本原理

張弦結(jié)構(gòu)是由撐桿連接主要承重的剛性上弦構(gòu)件跟柔性的下弦構(gòu)件，同時也是一種具有優(yōu)越承載能力的自平衡體系結(jié)構(gòu)，由于張弦結(jié)構(gòu)是由“剛性”和“柔性”兩種結(jié)構(gòu)體系組成，于是也將其歸類于“雜交體系”的范疇[3]。對于張弦結(jié)構(gòu)在實際的工程應(yīng)用中跨度都很大，一般由于一端支座為可滑動支座，在荷載作用下跟對下弦拉索進行張拉時支座都會產(chǎn)生位移，因此十分有必要區(qū)分張弦結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力前后結(jié)構(gòu)的形態(tài)[18]。

2.1 張弦結(jié)構(gòu)形態(tài)定義
根據(jù)張弦結(jié)構(gòu)的受力特點、加工狀態(tài)、施工方式常把張弦結(jié)構(gòu)在受力過程中涉及的狀態(tài)定義分為零狀態(tài)、初始態(tài)和荷載態(tài)三種。各狀態(tài)的定義及受力情況[19]：（如圖 2.1）零狀態(tài)（結(jié)構(gòu)的放樣狀態(tài)）：在對索施加預(yù)應(yīng)力前的狀態(tài)，即在沒有施加預(yù)應(yīng)力也不考慮自重時構(gòu)件的加工、放樣狀態(tài)。該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的受力情況：無自重+無預(yù)應(yīng)力。初始態(tài)（預(yù)應(yīng)力態(tài)）：在對索施加完預(yù)應(yīng)力后，，并且完成說了屋面的結(jié)構(gòu)施工的狀態(tài)，此時也拆除了支撐，結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成了自平衡體系，此時所對應(yīng)的幾何參數(shù)就是圖紙的設(shè)計幾何外形，也是建筑施工圖中明確的結(jié)構(gòu)建筑外形，即結(jié)構(gòu)完成后驗收的狀態(tài)。該狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的受力情況：自重+預(yù)應(yīng)力。荷載態(tài)：結(jié)構(gòu)在初始形態(tài)基礎(chǔ)上受外荷載作用發(fā)生新的變形后達到的平衡狀態(tài)。受力情況：自重+預(yù)應(yīng)力+外荷載（活荷載+恒荷載）[20]。
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2.2 預(yù)應(yīng)力的作用
要考慮預(yù)應(yīng)力在張弦結(jié)構(gòu)中的作用就首先闡明對預(yù)應(yīng)力的定義，指的是在沒有外荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部所維持的自平衡內(nèi)力分布。在張拉下弦索過程，索中的張力包括兩部分效應(yīng)：一是在結(jié)構(gòu)自重作用跟外荷載作用下引起的索內(nèi)力，還有就是通過對索施加預(yù)應(yīng)力而產(chǎn)生的內(nèi)力。因此在對拉索進行張拉的過程就是為了讓拉索參與結(jié)構(gòu)形成整體共同工作的過程，而不只是指對拉索施加預(yù)應(yīng)力[22]。在張弦結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力一般認為主要有兩個作用：一是拉索中的預(yù)應(yīng)力是為了讓整個張弦桁架結(jié)構(gòu)獲得整體的剛度，同時也為了避免出現(xiàn)在某些外荷載作用下使拉索不再受拉而退出工作。二是為了改善上弦剛性構(gòu)件的受力性能，減小上弦剛性構(gòu)件在外荷載作用下的彎矩大小[23-25]。
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3.單榀張弦桁架計算程序的介紹........12
3.1 程序開發(fā)工具的介紹......... 12
3.1.1 ANSYS 的簡介..... 12
3.1.2 APDL 語言的簡介...... 12
3.1.3 Visual Basic 語言........ 12
3.2 張弦桁架結(jié)構(gòu)模型建立選取.... 13
3.2.1 上弦桁架截面形式的選取..... 13
3.2.2 計算單元以及材料的選取..... 14
3.3 張弦桁架結(jié)構(gòu)所受荷載種類及工況確定..... 15
3.3.1 荷載種類..... 15
3.3.2 荷載工況確定.... 18
3.4 計算程序的介紹.......... 18
3.5 開發(fā)思路......... 21
3.6 開發(fā)成果......... 22
3.6.1 參數(shù)化建模......... 22
3.6.2 結(jié)果輸出..... 22
4.單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)的靜力性能影響因素......26
4.1 模型選取及荷載確定......... 26
4.2 主要參數(shù)對單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)受力性能的影響分析...... 27
4.3 風荷載對受力性能的影響分析....... 40
4.3.1 張弦桁架在豎向風荷載作用下受力分析......... 40
4.3.2 張弦桁架在水平方向的風荷載作用下受力分析.... 41
5.結(jié)論與展望.....44

4.單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)的靜力性能影響因素

單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)可通過不同的布置方式如雙向、多向以及呈輻射式，形成受力性能更為合理的空間張弦桁架結(jié)構(gòu)體系。因此單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)的性能對整體結(jié)構(gòu)的性能起著非常重要的作用。參考文獻[39]研究了影響單榀張弦梁的因素，通過對各主要因素垂跨比，矢高比，撐桿數(shù)，拉索的預(yù)應(yīng)力值分別定量分析，總結(jié)出了張弦結(jié)構(gòu)在各主要影響因素變化時在內(nèi)力和變形的規(guī)律。本章主要內(nèi)容是利用上章編制的單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)分析程序來研究其靜力性能，并詳細討論了撐桿數(shù)目、矢跨比、垂跨比、索的預(yù)應(yīng)力和索截面積等主要因素對單榀張弦桁架結(jié)構(gòu)靜力性能影響規(guī)律，并參考文獻[39]的結(jié)論對各影響因數(shù)進行討論，得出在跨度在 125m 時各個因素相對合理的一個取值范圍，從而全面了解結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)對體系內(nèi)力和位移的影響情況，對于其他跨度的張弦桁架，按照相同的方法確定其合理參數(shù)范圍，并為張弦桁架設(shè)計時各因數(shù)的取值提供一定的參考意義。

4.1 模型選取及荷載確定

參考某張弦桁架結(jié)構(gòu)工程實例為基礎(chǔ)模型[40]，上弦桁架的截面形式為倒三角行，地面粗糙度為 C，選取張弦桁架跨度為 l=125m，上弦桁架寬度為 a=4m，上、下弦桿的高度差為 b=3m，張弦桁架矢高為 f=8m，矢跨比為：0.064，垂度為 h=4m，垂跨比為：0.032，撐桿數(shù)目為 s=11，下懸索采用的是 337 根Ф×7 冷拉鋼絲組成的鋼絲束，截面面積 A=0.012969 m2，在拉索施加的預(yù)拉力為 sp=300KN。設(shè)每9m 設(shè)置一榀平行布置的張弦桁架，荷載等效換算成節(jié)點荷載施加在張弦桁架上弦各節(jié)點上，恒載 q1=32.4KN，屋面活載 q2=9.45kN，雪荷載 q3=5.04kN，迎風荷載 q4=-35.28kN，背風荷載 q6=-22.05kN。桁架兩端處一端為固定支座，一端為滑動支座。

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結(jié)論

張弦桁架結(jié)構(gòu)是近年來一種新型的大跨度空間結(jié)構(gòu)，以其優(yōu)越的受力性能而受到廣泛的親睞，本文選取上弦桁架截面為倒三角形的單榀張弦桁架作為研究的對象，為了便于對張弦桁架結(jié)構(gòu)的受力性能研究，本文建立了上弦桁架截面形式為倒三角的單榀張弦桁架模型分析程序，并用該程序?qū)伍瘡埾诣旒芙Y(jié)構(gòu)進行的受力分析，并對影響張弦桁架結(jié)構(gòu)的主要因素：撐桿數(shù)目、矢高比、垂跨比、預(yù)應(yīng)力值、拉索截面積、桁架高度，進行分析討論，得出本文討論的張弦桁架模型有關(guān)影響參數(shù)的合理取值范圍，得出以下結(jié)論：
（1）通過建立的倒三角形截面張弦桁架計算程序可以快速建立模型并進行受力性能分析，在中文的人機交互式操作界面下，通過輸入不同的參數(shù)可快速進行反復(fù)計算，并且可以輸出結(jié)果云圖以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力文本文件到指定的文件夾。
（2）張弦桁架的撐桿數(shù)目確定需要考慮到其對結(jié)構(gòu)的位移跟內(nèi)力的影響，撐桿作用相當于給上部桁架提供了一個彈性支撐，單從受力分析角度撐桿數(shù)目再超過 3 個數(shù)目后對于跨度 125m 的張弦桁架的受力性能改善就不再明顯，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件內(nèi)力對撐桿數(shù)目改變不是很敏感，但考慮到實際建筑效果需求等因素，建議設(shè)置 9~11 根撐桿，符合文獻[41]中工程實例的撐桿數(shù)目取值。
（3）增大張弦桁架的矢跨比跟垂跨比對改善結(jié)構(gòu)的受力性能有較好的效果，但是整體結(jié)構(gòu)的用鋼量增大并不明顯；當矢夸比和垂跨比增大到一定程度后對結(jié)構(gòu)的位移跟內(nèi)力影響不大，改善結(jié)構(gòu)受力性能將不再明顯，因此兩個的取值范圍要適當，建議對本文的模型的矢跨比取值范圍為：0.06~0.09，垂跨比取值范圍為 0.05~0.09，滿足文獻[41]中工程實例的垂跨比、矢跨比取值。
（4）張弦桁架的也是一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，要對拉索施加一定的預(yù)應(yīng)力值，來減小結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度，以及抵消拱形桁架在結(jié)構(gòu)兩端產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)反力。拉索中的預(yù)應(yīng)力不能過小，過小可能會在外荷載特別是風荷載作用下因受壓而退出工作，也不能過大，過大了會使桁架桿件產(chǎn)生過大的內(nèi)力，從而增大了用鋼量，也增大的施工難度，對于本文所取的模型建議預(yù)應(yīng)力取值范圍為 900kN~1300kN，同時也跟文獻[41]中工程實例對拉索預(yù)應(yīng)力的取值相符合。
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參考文獻(略)

本文編號：51772