某张弦粱中庭屋盖的优化计算.pdf

第六届全国现代结构工程学术研讨会 某张弦粱中庭屋盖的优化计算 李阳1田宗礼2张慎伟1 (1同济大学土木工程学院，上海，200092)(2山东临沂市公路局城县公路管理局，临沂，276100) 摘要：某张弦梁中庭屋盖的设计受到下部结构及结构选型的诸多限制，通过调整杆件截面及预应力的大小，提高结构整体 刚度，优化结构各部分的刚度分布，进行承载能力和正常使用极限状态以及张拉过程的验算，使其符合设计要求，并满足下 部结构的限制条件。从结构的调整、优化过程，得到几点结论，可供同类工程设计参考。 关键词：张弦梁，预应力，支座约束，整体刚度 一、工程概况 某中庭采光屋盖位于东西高层主楼中间，标高为18．3m，南北向最长为69．8m，东西向最宽为54．0m， 中庭屋盖及相邻结构总平面布置如图1所示。东西两侧高层结构均由主楼和裙楼两部分组成，二者之间贯 穿抗震缝断开；中庭南北两侧为玻璃幕墙，高度均在20m左右。中庭采光顶结构形式如图2所示，中庭南 不等，张弦梁的矢高取3000mm，北侧桁架旁边的张弦梁取为900mm。张弦梁和两端桁架用侧向支撑相连， 钢桁架和张弦梁支座搁置东西两侧的转换主梁。中庭前后玻璃幕墙承受的水平风荷载，通过幕墙上部和钢 桁架相连的节点传递荷载到中庭结构。中庭结构整体通过两侧的转换主梁连接到主楼和裙房的框架柱。 图1中庭屋盖及相邻结构平面图 图2张弦梁中庭屋盖结构模型 根据设计要求，主楼和裙房的框架柱不能承受水平荷载，因此除两端的四个支座以外，转换主梁的其 余支座均释放两个方向的水平约束，只保留竖向约束。同时为满足抗震需要，在和东西两侧主结构抗震缝 设置相连的位置，中庭结构设置抗震缝，将南北两部分完全断开，造成中庭结构北侧的转换主梁在靠近抗 震缝的位置有两米左右的悬挑。同时由于建筑的要求，在其悬挑端部布置了一榀张弦梁，使得该位置成为 结构的薄弱处，采用钢斜撑将悬挑端部支承在相邻混凝土柱上。 本结构的外形尺寸，包括张弦梁的布置、张弦梁的矢高、钢桁架的选型及尺寸、支撑的布置已由建筑 师确定，而其传力途径又有抗震缝的设置、支座的薄弱等下部结构条件加以限制，在此条件下，通过合理 施加预应力水平以及杆件截面的选取，增大结构整体刚度，并调整结构各部分的刚度比例，使屋盖结构满 足承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算要求，并使各支座反力符合下部结构承载力要求。 498 工业建筑2006增刊 第六届全国现代结构工程学术研讨会 二、计算模型 (一)计算模型 该中庭屋盖结构的外部支承条件较弱，必须依靠提高结构自身的刚度抵抗外荷载，尤其是水平风荷载 的作用。水平风荷载由玻璃幕墙通过其上部节点传递到南、北桁架的外侧上弦节点上，由两侧桁架并通过 侧向支撑传递给张弦梁，进而通过转换主梁传递给其角部支座。竖向荷载则有张弦梁及两侧桁架传递给转 换主梁，由所有支座承担。张弦梁上弦两端释放平面内、外两个方向的转动约束，侧向支承两端铰接；南 北桁架腹杆铰接，计算模型如图2所示。钢桁架杆件为圆钢管，张弦梁下弦采用预应力钢强钢棒，其余杆 件均为箱形截面。除高强钢棒为0460幅’以外，其余均未0345。通过结构优化，选定各杆件截面列于表1。 结合施工条件，张弦梁下弦的预应力值设定为50kN。采用3d3s软件，进行非线性计算分析和设计验算。 表1截面选择 序号 杆件类型 截面 材性 根数 1 张弦梁上弦 矩550x250x16 Q345 92 2 张弦梁下弦 圆钢中55 Q460 78 3 张弦梁腹杆 热钢管中95x6．0 0345 66 4 桁架弦杆 热钢管中351x20 0345 135 5 桁架腹杆