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张弦桁架结构稳定性分析
摘要:大跨度张弦桁架结构作为一种新型的预应力钢结构形式,由于
其优良的空间性能和其在大跨方面的优越性,特别适合在大跨甚至超大跨结构中
应用。本文主要分析了对张弦桁架结构的构件的局部稳定和张弦桁架结构的平面
外整体稳定进行分析,以期促进大跨度空间结构设计。
关键词:大跨度,张弦桁架结构,稳定性
1引言
在工程中,张弦桁架结构的跨度一般较大,在结构的初始态,对下弦索
内施加预应力,使结构具有整体向上的起拱,荷载态时,外荷载的施加使结构产
生向下的挠度,当起拱值或挠度过大时,整个结构可能会因为位移过大而出现平
面内或平面外的失稳现象。另外,受荷的张弦桁架结构,一般上弦承受较大压力,
而下弦索内承受较大的拉力,它们作为单个的构件,可能由于承受的压力过大而
导致平面内和平面外的失稳[1,2]。现有规范对张弦桁架结构的稳定性没有明确
的规定。故本章根据现有规范和钢结构稳定理论对张弦桁架结构的稳定性进行分
析。
张弦桁架结构的稳定性问题有两类,其一是局部稳定性问题,包括结构
中上弦构件、撑杆和下弦索的稳定性问题:其二是整体稳定性问题,包括张弦桁
架结构的平面内稳定和平面外稳定问题。
2局部稳定性分析
张弦桁架结构局部稳定性包括上弦构件、撑杆和下弦索的局部稳定性
[3]。
2.1上弦构件的稳定性
张弦桁架结构上弦由空间桁架构成。桁架梁的每个杆件都可看做两端铰
接的二力杆,荷载作用下,桁架梁的跨中处上弦杆和支座处下弦杆受较大压力;
当结构下弦索内预应力很大时,结构空间桁架梁的下弦杆承受较大压力,由此可
见,无论是上弦杆还是下弦杆,都会因为轴力过大而屈曲。
2.2索的稳定性
1
(1)平面内稳定。张弦桁架结构的下部悬索是受拉构件,如果在外荷
载作用下出现受压趋势时就会松弛,称为索的平面内失稳。由于张弦桁架结构的
结构特点,为了形成结构的自平衡体系,索内已经预先施加了预拉力,同时在竖
向荷载作用下下弦索也会受到较大的拉力,这使得下弦索总处于受拉状态,从而
保证了索的平面内稳定。
(2)平面外稳定。在保证下弦索平面内稳定的情况下,索还可能出现
出平面外过大的位移而侧向失稳。为了分析撑杆与索连接处平面外的稳定性,采
用了一个简单的单撑杆的张弦桁架结构为例来分析,计算模型如图1所示,图中
假设索杆节点B有一个出平面外的微小位移△。将张弦桁架结构中的索和撑杆连
接节点简化成如图2的形式,进行节点局部稳定性分析。
图1单撑杆张弦梁结构
图2初始平衡状态的索杆节点
图2,对称拉索长度为L2,与上弦桁架为铰接,图中用双向铰支座代替,
索中预应力为L撑杆长度为L1,上端与上弦铰接,下端与拉索也为铰接,图中
同样用双向铰支座代替,撑杆内压力为P。
在AB’B平面内的节点B’处,索拉力的竖向分力是,对A点的力矩M1,
即
M1产生是B点出平面的趋势;索拉力指向B点的水平分力是,对A点
的力矩M2,即.
M1产生使B点回复到平衡位置的趋势。若想使索杆节点B没有出平面
的侧移△,必须满足使B出平面的弯矩小于使其回复到平衡位置的弯矩,即M2M1,
亦即
故张弦结构平面外的稳定性可根据以下条件来判断:时,结构处于稳定
状态;时,结构处于临界状态;时,结构不稳定状态。
2
2.3撑杆的稳定性
张弦桁架结构的撑杆位于索与上弦刚性结构之间,在外力荷载作用下是
轴心受压的二力杆件。在实际工程中,张弦桁架撑杆的上下端均设计成双向铰接。
上下端分别支撑在桁架和拉索上。当撑杆轴向压力较大时,似乎撑杆存在着出平
面外的不稳定趋势。实际的分析结果表明,在绝大部分情况下结构是一个自平衡
的稳定体系,一般不会出现撑杆出平面外的失稳。为了从概念上说明这一点,以
下仍采用简单的单撑杆索梁模型进行说明,按照稳定分析的基本概念,首先对结
构进行静力分析,得到各构件在均布荷载q作用下产生的内力。设拉索的张力为
n其水平分力和竖向分力
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