抗風錨桿在張弦梁結構中的應用研究

潘福婷，王艷華，吳 京

（1.安徽新華學院土木與環境工程學院，合肥230088；2.東南大學土木工程學院，南京210096）

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抗風錨桿在張弦梁結構中的應用研究

潘福婷1，王艷華1，吳 京2

（1.安徽新華學院土木與環境工程學院，合肥230088；2.東南大學土木工程學院，南京210096）

摘要：張弦粱結構承受的風吸力大于結構自重等豎直向下的荷載時，預應力索將松弛退出工作。運用SAP2000對某張弦梁結構在預應力索失效后的承載力、變形和整體穩定性進行了分析。計算結果表明：下弦索失效后，荷載只能由主弦桿承擔，導致某些構件承載力不足，添加抗風錨桿后各構件的承載力均能滿足；穩定拉索和交叉穩定拉桿的設置提高了結構的整體側向剛度，且有效地抑制了側向變形。

關鍵詞：張弦梁結構；承載力；抗風錨桿；變形；整體穩定性

0引言

張弦梁結構作為一種大跨度預張拉空間鋼結構體系，往往由剛度較大的剛性抗彎構件和高強度的預應力索以及連接兩者的撐桿組成，通過下弦索繃緊來保證結構整體剛度形成自平衡體系，結構具有受力合理、簡單輕盈、施工便捷等諸多優點，因此近年來在國內得到較多的工程應用［1-3］。但正因為其自重較輕、柔度較大、阻尼小，結構對風荷載十分敏感，所以當作用在結構上的風吸力大于豎直向下的荷載時，下弦索將逐步松弛而退出工作，結構的承載力與整體抗風剛度驟減，因此張弦梁結構的抗風設計顯得尤為重要。

當下弦預應力索松弛之后，一般的抗風措施有：配重法、布設錨固索法、增大下弦索的預應力及布設抗風索、抗風錨桿等。莊學臻［4］針對沿海臺風地區張弦梁屋蓋結構采用在上弦箱形梁體系中填充配重的抗風設計，通過實驗研究和有限元分析證明該方法設計可靠、施工簡便可行；白正仙［5］等人對跨度為60m的一榀張弦梁結構進行抗風索的布設，分析計算其在靜風及脈動風下的抗風性能，結果表明抗風索對抗風剛度的提高較為有效，且抗風索能有效地減小結構在脈動風下的位移響應；羅堯治［6］等人給出了自適應張弦梁結構在風吸力作用下的理論控制模型，該模型能確保自適應張弦梁結構在風吸作用下下預應力索不退出工作。

1 工程實例

本工程為1處在標高37m處連接兩棟高層建筑的天窗玻璃幕墻回廊，其屋蓋支撐體系采用單向張弦梁結構，跨度為25.5m，下弦索采用拋物線形，垂度為2.5m。將7榀平面張弦梁結構平行布置，用檁條將多榀平面張弦梁結構在縱向進行連接，從而增強結構的平面外穩定。根據風洞試驗，測得的風荷載標準值達到±1.5kN/m2，達到了該地區基本風壓的3倍，故對主結構進行了承載力和整體穩定性驗算，各構件的選材見表1。

表1 各構件選材

1.1 承載力驗算

考慮的荷載有恒載、風荷載、雪荷載、地震荷載和預應力。組合方法依據《點支式玻璃幕墻工程技術規程》（CECS127-2001），恒載和預應力始終參與組合，其他3項可變荷載分別按照第一、第二、第三種可變荷載進行排列。分項系數：恒載為1.2，風載、雪載均為1.4，地震荷載為1.3。多種可變荷載參與組合時，第2個可變荷載的組合值系數為0.6。

采用SAP2000進行結構建模和靜力分析。主弦桿采用SAP2000中的Frame單元，考慮桿件的抗彎抗扭性能，主弦桿兩端是固定鉸接，且限制扭矩，一端釋放沿主弦桿方向的約束，主要是考慮預應力的施加；檁條和主弦桿之間采用鉸接連接。

設計工況1：考慮的荷載有恒載、豎直向下風荷載、雪荷載和預應力，其中預應力為1450kN，其計算模型如圖1所示。

計算時程序先計算各個單獨荷載工況情況下的內力，再根據要求對各荷載工況進行荷載組合，并驗算每一桿件關鍵截面的應力比，構件的最大應力比見表2，可以看出，所有構件的最大應力比均小于1，滿足要求。

圖1 工況1計算模型

表2 各構件的計算最大應力比

設計工況2：考慮的荷載有恒載、豎直向上風載和預應力，由于風荷載的數值已經大于結構自重，預應力拉索將退出結構工作，其相應的模型見圖2。

圖2 工況2計算模型

經過程序驗算得出，部分桿件的承載力未能通過驗算。在每榀張弦梁兩側分別添加兩根Φ15不銹鋼抗風錨桿，錨固端位置在桁架支座下2.5m，計算模型見圖3。通過程序校核，所有的桿件應力比均小于1，全部通過驗算，錨桿內最大應力為190kN。通過增加抗風錨桿，減小主弦桿計算長度，使得結構能滿足變形和強度要求。

圖3 添加抗風錨桿計算模型局部圖

1.2 變形驗算

如果張弦梁支撐結構的豎向變形過大，將會對玻璃幕墻產生不利的影響甚至是破壞，因此，對各工況下結構的變形進行了計算，計算結果如表3所示，均未超過規范所規定的1/250，滿足設計要求。

1.3 整體穩定性驗算

在屋蓋平面主弦桿之間添加交叉穩定桿、預應力拉索之間添加兩道通長穩定拉索、交叉穩定拉桿以及側向鋼板與主弦桿之間添加撐桿，如圖4所示，以增強整體結構的穩定性。為了了解結構的穩定能力，對結構進行了非線性大變形分析［7］。

表3 各工況下的結構變形計算

圖4 穩定索及撐桿布置圖

在3.0*（1.2×恒載＋1.4×豎直向下風載）作用下，模型計算可以收斂，變形如圖5所示，從圖中可見，結構主要產生豎向變形，其最大側向變形僅25mm，說明結構在超載情況下仍具有良好的側向穩定性。

圖5 大變形分析后變形（mm）

2 結論

本文對張弦梁結構分別在風壓力和風吸力作用下的承載力和變形分別進行了驗算，并對結構進行了非線性大變形分析，得出以下結論：

1）當風吸力大于豎直向下荷載時，預應力索將失效，荷載只能由主弦桿來承擔，結構承載力可能不滿足規范要求。計算表明，添加抗風錨桿后各桿件的承載力均滿足要求，且有效地減小了風吸力作用下結構的豎向變形；

2）穩定拉索和交叉穩定拉桿的添加，可以有效地提高張弦梁結構的整體剛度和穩定性，進而增強結構的抗風性能。

參考文獻：

［1］黃穎.大跨度張弦梁結構抗風性能的研究［D］.福州：福州大學，2008.

［2］郝亮亮.抗風索張弦梁受力性能研究［D］.北京：北京大學，2008.

［3］劉樹堂.大跨張弦桁架結構尺寸優化設計研究［J］.河南大學學報，2014，44（2）:244-247.

［4］莊學臻.臺風地區大跨度張弦結構屋面抗風設計與施工［J］.施工技術，2014，43（2）：42-45.

［5］白正仙，侯西明，關洪陽，等.抗風索式張弦梁抗風有效性分析［J］.工業建筑，2013（增刊）:369-374.

［6］羅堯治，程華強，許賢.自適應張弦梁結構的內力控制理論研究［J］.工程力學，2014，31（6）:159-165.

［7］薛啟超.張弦梁結構穩定性分析及優化設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.

（責任編輯：郝安林）

The Applied Research of Wind Bolt to the Beam String Structure

PAN Futing1，WANG Yanhua1，WU Jing2
（1.College of Civil&Environmental Engineering，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China；2.College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Abstract：When the wind suction exceeds the vertical downward load，the prestressed cable will be inactive.In this paper，the bearing capacity，deformation and the overall stability of a beam string structure were analyzed by SAP2000.The calculation results show that:when the prestressed cable fails，the load can be borne by the main chord member，leading to some lack of capacity.After adding the wind bolt，the bearing capacity of each compo?nent can be met；the set of stable cable and stable cross rods can not only improves the overall lateral stiffness of the structure and effectively inhibits the lateral deformation.

Key words:beam string structure；bearing capacity；wind bolt；deformation；overall stability

中圖分類號：TU32

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）02-0040-03

收稿日期：2015-10-18

基金項目：安徽高校省級優秀青年人才基金重點資助項目（項目編號：2013SQRL098ZD）。

作者簡介：潘福婷（1983-），女，江蘇揚州人，安徽新華學院講師，碩士研究生。