CN111636623A - 一种具有高抗连续倒塌性能的张弦梁结构及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高抗连续倒塌性能的张弦梁结构及其实现方法，其中张弦梁结构包括上弦梁和下拉索,在所述上弦梁上设置有多个第一节点,在所述下拉索上设置有多个第二节点,在所述上弦梁和下拉索之间的空间内设置有多个第三节点,在每个第三节点上设置有四个斜向撑杆,四个斜向撑杆分别连接至上弦梁上相邻的两个第一节点上和下拉索上相邻的两个第二节点上。相比于传统的张弦梁结构，本发明张弦梁结构在断索后通过斜向撑杆形成备用传力路径，能够有效防止结构发生倒塌，同时增加了撑杆冗余度；每个第二节点处的预应力夹具能够有效控制服役期间下拉索的预应力损失。本发明构造简单，易于实现，适合在实际工程中应用。

Description

一种具有高抗连续倒塌性能的张弦梁结构及其实现方法
技术领域
本发明属于大跨度预应力空间结构领域，涉及一种张弦梁结构。
背景技术
张弦梁结构主要由下部柔性索和刚性的上弦梁组成，对索施加预应力并锚固在上弦梁的两端，拉索与上弦梁之间通过竖向撑杆连接，该结构是一种自平衡体系，能充分发挥高强材料的受拉性能，具有受力性能合理，自重轻，构造简单的特点。随着我国建筑事业的发展，张弦梁结构被广泛用于体育场、展馆等大空间重要公共建筑。
张弦梁结构相对于框架结构，冗余度较低。在现有技术中，上弦梁和下弦索之间往往设置单一的竖向撑杆，下弦索张拉使得撑杆受压，上弦梁则为压弯状态。对于下弦索，与刚性构件不同，只能受拉，不能受压，且撑杆与上弦梁和下弦索的连接均为铰接。当下弦拉索的任一截面失效，拉索将迅速释放应变能，整个拉索随即完全失效，拉索的失效又将导致所有撑杆跟着转动而失效。因此当拉索任一截面失效时，结构的撑杆和下部索段会形成机构。最后跨中挠度急剧增加，上弦压溃，结构倒塌。同时在张弦梁结构服役期间，节点处锚固质量不佳会造成下弦索预应力损失，结构整体刚度降低，这也会成为张弦梁结构失效的潜在因素。
现有技术中，有研究人员提出了若干种改进结构形式，如增设备用索、多索张弦桁架结构等，研究重点是提高下弦索的冗余度。增设备用索的张弦桁架结构的抗倒塌性能与结构的支座水平刚度有关，当某一段索失效后，两侧分别形成局部张弦体系，进而导致结构变形后在失效处的上弦形成一个铰。对于上弦为实腹梁的张弦梁结构体系，当大跨度实腹梁单独受力时，抗弯效率较低，此时极易发生倒塌。而对于采用多根索以提高结构冗余度的张弦梁，也会由于单根拉索失效后未能形成全跨的自平衡受力，上弦梁抗弯能力不足时仍有可能发生连续失效。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供一种构造简单、安全可靠的以提高张弦梁结构抗连续倒塌性能的张弦梁结构及实现方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有抗倒塌功能的张弦梁结构，包括上弦梁和下拉索,其特征在于：在所述上弦梁上设置有多个第一节点,在所述下拉索上设置有多个第二节点,在所述上弦梁和下拉索之间的空间内设置有多个第三节点,在每个第三节点上设置有四个斜向撑杆,四个斜向撑杆分别连接至上弦梁上相邻的两个第一节点上和下拉索上相邻的两个第二节点上。
在最外侧的第一节点和最外侧的第二节点之间设置有边斜撑杆。
连接在第三节点上的四个斜向撑杆包括两个上斜撑杆和两个下斜撑杆；上斜撑杆下端与下斜撑杆上端刚性连接；上斜撑杆上端和边斜撑杆上端与上弦梁铰接，下斜撑杆下端和边斜撑杆下端与下拉索铰接。
在所述上弦梁下端设置有连接板，所述第一节点形成在所述连接板上。
所述第二节点由固定在所述下拉索上的预应力夹具形成。
所述预应力夹具包括一可置入所述下拉索并夹紧下拉索的套管，在所述套管上设置有节点板，在所述套管两端设置有在端部夹紧下拉索的锚塞；所述下斜撑杆连接在节点板上。
所述套管由两个半套管通过紧固件连接而成。
在所述套管内设置有齿状突起。
所述上弦梁为钢梁或桁架梁。
一种张弦梁结构的实现方法，其特征在于：通过调节第三节点与上弦梁之间的高度，改变张弦梁结构当拉索失效后剩余结构的抗弯效率；当第三节点与上弦梁之间的高度越大，则剩余结构的抗弯效率越高。
本发明张弦梁结构，通过设置多道交叉型的斜向撑杆，克服了张弦梁冗余度不足的问题。若遭遇断索等意外情况后，通过节点处的预应力夹具阻止剩余拉索的回缩，并将拉索内力传递给下斜撑杆，而后下斜撑杆将内力传递给上斜撑杆，最后传递到上弦梁，进而形成新的有效传力路径，提高了张弦梁结构的抗连续倒塌性能。而多道撑杆的设置，也增加了撑杆的冗余度。同时，每个第二节点处的预应力夹具能够有效控制服役期间下拉索的预应力损失。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1)本发明提出的新型张弦梁结构改变了传统张弦梁结构中的传力途径，当任意位置的拉索断裂时，预应力夹具和锚塞产生的预紧力可以有效限制剩余索的回缩。剩余结构备用传力路径清晰，第二节点处剩余拉索的回缩力由预应力夹具传给与节点板铰接的下斜撑杆或边撑杆，下斜撑杆则传给相连的上斜撑杆，并最终传递给上弦梁。剩余索与失效索处的下斜撑杆形成新的传力路径继续提供拉力，由于上斜撑杆的存在，避免在断索处上弦杆出现塑性铰而增大竖向挠度。
2)斜向撑杆交叉布置，增加了撑杆的冗余度。同时每个节点处的预应力夹具能够有效控制服役期间下拉索的预应力损失。
3)该结构形式简单，连接节点易处理，构造方便，设计与实施方法与传统张弦梁结构类似，易于实现，适合在实际工程中应用。
附图说明
图1在拉索失效后张弦梁结构传力路径示意图；
图2张弦梁结构构型一结构示意图；
图3张弦梁结构构型二结构示意图；
图4张弦梁结构构型三结构示意图；
图5预应力夹具结构示意图，其中a为整体示意图，b为拆分示意图；
图6连接板结构示意图；
图7中间索失效后新型张弦梁的节点位移时程；
图8边索失效后新型张弦梁的节点位移时程；
图9拉索失效后传统张弦梁的节点位移时程；
图10中间索失效后新型张弦梁构型一变形状态；
图11中间索失效后新型张弦梁构型二变形状态；
图12中间索失效后新型张弦梁构型三变形状态；
图13边索失效后新型张弦梁构型一变形状态；
图14边索失效后新型张弦梁构型二变形状态。
图15边索失效后新型张弦梁构型三变形状态；
图中有：上弦梁1；斜向撑杆2，上斜撑杆21、下斜撑杆22、边斜撑杆23；下拉索3；连接板4；预应力夹具5、预应力夹具套筒51、节点板52、锚塞53、高强螺栓54；固定铰支座6；滑动铰支座7。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细说明：
如图1-图4所示，本发明具有抗倒塌功能的张弦梁结构，包括上弦梁1和下拉索3,上弦梁为钢梁或桁架梁等梁结构。在上弦梁上设置有多个第一节点,在下拉索上设置有多个第二节点,在上弦梁和下拉索之间的空间内设置有多个第三节点,在每个第三节点上设置有四个斜向撑杆,四个斜向撑杆分别连接至上弦梁上相邻的两个第一节点上和下拉索上相邻的两个第二节点上，在最外侧的第一节点和最外侧的第二节点之间设置有边斜撑杆。
连接在第三节点上的四个斜向撑杆包括两个上斜撑杆21和两个下斜撑杆22；上斜撑杆21下端与下斜撑杆22上端刚性连接；上斜撑杆21上端和边斜撑杆23上端与上弦梁1铰接，下斜撑杆22下端和边斜撑杆23下端与下拉索3铰接。
第一节点由固定在上弦梁1的下端的连接板4形成。连接板为弧形连接板，由钢材制成。弧形连接板上开孔，开孔处主板的两侧焊接贴板。弧形连接板上部与上弦梁下侧焊接，下部分别与上斜撑、边斜撑的上端通过销轴铰接。
第二节点由固定在下拉索3上的预应力夹具5形成。预应力夹具5包括一可置入下拉索3并夹紧下拉索3的套管51，在套管51上设置有节点板52，在套管两端设置有在端部夹紧下拉索的锚塞53；下斜撑杆22连接在节点板52上。下斜撑杆22和边斜撑杆23的下端通过销轴与节点板52铰接。
套管51由两个半套管通过高强螺栓54连接而成。在套管51内设置有齿状突起。下拉索3穿过套管51，待下拉索3张拉完成后，剥去预应力夹具5段的拉索PE护套，让拉索与夹具直接接触，通过套管51两侧的高强螺栓54将两个半套管拧紧，确保下拉索3与套管51不产生相对滑动。然后，两端塞入锚塞53将下拉索3夹紧。
本发明张弦梁在具体实施时，通过对撑杆构型进行一定优化，以实现更好的抗连续倒塌性能。图1为拉索失效后新型张弦梁结构的传力路径，当中部拉索断裂时，在节点a处两根下斜撑杆平衡剩余拉索内力F1，对应的力学平衡方程为：
F2×cos(β)+F3×cos(γ)＝F1 (1)
式中，F2、F3均为节点a左右两侧下斜撑内力；α为节点a左右两侧下斜撑夹角；β为节点a左侧下斜撑与拉索的夹角，γ为节点a右侧下斜撑与拉索的夹角。
下斜撑截面内力F2通过节点b传给上斜撑，则节点b竖直方向有平衡方程：
F2×cos(ε/2)＝F4×cos(θ/2) (2)
式中，F4为节点b上侧上斜撑内力，θ为节点b上侧上斜撑夹角；ε为节点b下侧下斜撑夹角。
通过此种交叉型撑杆布置，一方面可以避免采用单根斜撑时需要错位布置，导致结构存在偏心受力。另一方面，当拉索失效后，由于节点b与上弦梁之间有一定高度，进而产生一种如空腹桁架的作用，提高了剩余结构的抗弯能力。
本发明中根据撑杆角度α与θ的调整，撑杆有3种优化构型：
由上述分析知，节点b与上弦梁之间的高度越大，即节点b的空间位置越靠下，则剩余结构的抗弯效率越高。通过将节点b下移，增大了节点a处的角度α和节点b处夹角ε，同时减小节点a处角度β、γ与节点b处的角度θ，根据式(1)、(2)的平衡条件可知，在相同的剩余拉索回缩力下，斜撑截面内力更小，斜撑效率更高，传力路径更加优化。
为此，定义交叉撑杆连接节点的相对位置参数δ，其计算式为：
Figure BDA0002574090810000051
式中li'、li分别为上斜撑杆高度与对应位置上下弦空间高度。
按上述分析，上斜撑杆高度越高，拉索失效后剩余结构的空腹桁架作用越明显，越有利于张弦梁结构的抗连续倒塌性能。由于斜撑对称布置，节点b处下斜撑截面内力F2在水平方向相互抵消，上斜撑只需提供竖向平衡力。因此，通过调整角度θ和交叉撑杆连接节点的相对位置参数δ，得到构型一、构型二、构型三。
本发明张弦梁结构的安装方法，步骤如下：
1)根据结构跨度、荷载情况等基本设计信息，可按现有设计方法确定新型张弦梁结构矢高、上弦尺寸、斜撑杆的数目及尺寸，下拉索面积及初始预拉力。进而确定连接板的强度和尺寸、预应力夹具半套筒截面半径、锚塞尺寸、高强螺栓数量。
2)上、下斜撑杆之间刚性连接，则同一位置处的上下斜撑杆组成一组交叉撑杆，可预先在工厂按设计角度焊接成型。而后现场将各组交叉撑杆安装在上弦和下部拉索之间，其中，边斜撑杆和上斜撑杆通过销轴与上弦梁铰接，边斜撑杆和下斜撑杆的下端通过销轴与预应力夹具铰接。
3)下拉索预先穿过所有预应力夹具套筒，然后对下部拉索端部进行张拉，待拉索的内力达到设计初始预拉力后将拉索两端封锚固定在上弦梁两端。
4)剥去预应力夹具段的拉索PE护套，让拉索与夹具直接接触，而后拧紧夹具套筒两侧的高强螺栓施加预紧力，并在两端塞入锚塞。
5)对张弦梁结构进行整体吊装，两端分别与下部支撑结构上的支座连接，并对结构施加侧向支撑保证其平面外的稳定性。
为了验证本发明提供的一种具有抗倒塌功能的张弦梁结构，基于ANSYS/LS-DYNA软件，采用变换荷载路径法中的非线性动力计算方法进行模拟分析。非线性动力计算兼顾了动力效应及非线性，能够模拟倒塌全过程，最接近结构实际倒塌的情况。通过移除单根拉索考察剩余结构的动力响应，并与传统张弦梁结构进行对比。所选取实施例的传统张弦梁结构跨度为63m，上弦矢高为3.15m，下弦垂度为3.5m，上弦梁选用740mm×560mm×18mm方钢管，下部拉索选用φ5×163，撑杆选用φ245mm×24mm圆钢管，撑杆数量为8根，沿跨度方向等距布置。参照此张弦梁结构，建立新型张弦梁结构基准模型，并依据上述优化方法，对斜向撑杆截面进行优化。
分别以传统张弦梁结构及三种构型的新型张弦梁结构为研究对象，对中间索和边索失效后的结构进行抗连续倒塌分析。提取上弦梁跨中节点竖向位移时程，如图7-9所示。分析表明，中间索失效后，传统张弦梁上弦跨中节点位移最大达到30m，表明传统张弦梁发生完全垮塌。对于新型张弦梁结构，三种构型的跨中节点最大竖向位移分别为0.312m、0.305m、0.286m；稳定后最终位移分别为0.235m、0.223m、0.208m；最终变形状态如图10-12。
边索失效后，对于传统张弦梁结构最大位移达到35m，表明结构已发生完全垮塌。对于新型张弦梁结构，三种构型的最大位移分别为0.295m、0.266m、0.308m，稳定后最终位移分别为0.218m、0.165m、0.265m；最终变形状态如图13-15。综上所述，本发明提出的新型张弦梁结构的抗连续倒塌性能比传统张弦梁有大幅度的提升。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有高抗连续倒塌性能的张弦梁结构，包括上弦梁和下拉索,其特征在于：在所述上弦梁上设置有多个第一节点,在所述下拉索上设置有多个第二节点,在所述上弦梁和下拉索之间的空间内设置有多个第三节点,在每个第三节点上设置有四个斜向撑杆,四个斜向撑杆分别连接至上弦梁上相邻的两个第一节点上和下拉索上相邻的两个第二节点上。
2.根据权利要求1所述的张弦梁结构，其特征在于：在最外侧的第一节点和最外侧的第二节点之间设置有边斜撑杆。
3.根据权利要求2所述的张弦梁结构，其特征在于：连接在第三节点上的四个斜向撑杆包括两个上斜撑杆和两个下斜撑杆；上斜撑杆下端与下斜撑杆上端刚性连接；上斜撑杆上端和边斜撑杆上端与上弦梁铰接，下斜撑杆下端和边斜撑杆下端与下拉索铰接。
4.根据权利要求1所述的张弦梁结构，其特征在于：在所述上弦梁下端设置有连接板，所述第一节点形成在所述连接板上。
5.根据权利要求1所述的张弦梁结构，其特征在于：所述第二节点由固定在所述下拉索上的预应力夹具形成。
6.根据权利要求5所述的张弦梁结构，其特征在于：所述预应力夹具包括一可置入所述下拉索并夹紧下拉索的套管，在所述套管上设置有节点板，在所述套管两端设置有在端部夹紧下拉索的锚塞；所述下斜撑杆连接在节点板上。
7.根据权利要求5所述的张弦梁结构，其特征在于：所述套管由两个半套管通过紧固件连接而成。
8.根据权利要求6所述的张弦梁结构，其特征在于：在所述套管内设置有齿状突起。
9.根据权利要求1所述的张弦梁结构，其特征在于：所述上弦梁为钢梁或桁架梁。
10.如权利要求1-9任一所述张弦梁结构的实现方法，其特征在于：通过调节第三节点与上弦梁之间的高度，改变拉索失效后剩余结构的抗弯效率；当第三节点与上弦梁之间的高度越大，则剩余结构的抗弯效率越高。
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