张弦立体桁架结构力学性能分析
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摘要
张弦立体桁架结构作为张弦梁结构的一种衍化形式，其各种构件受力明确简洁，拉压构件取长补短，协同工作，充分发挥了材料的受力特长，是大跨度空间结构中一种典型的刚柔杂交结合体系。基于张弦立体桁架结构合理的受力性能，以及大跨结构在我国广阔的发展前景，这种结构必将得到推广应用。
张弦立体桁架结构作为我国空间结构领域的前沿课题之一，目前对其还缺乏全面系统的研究工作。本文在原有对张弦梁以及张弦立体桁架研究的基础上，利用大型通用ANSYS软件，对该结构主要作了以下几个方面的研究工作：
(1)利用ANSYS软件中的APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言，对张弦立体桁架结构的建模计算进行了参数化编程，为深入研究该结构的力学性能和结构的优化设计奠定了基础。
(2)对一张弦立体桁架结构的静力性能做了系统分析，研究了结构的内力和位移在矢跨比、垂跨比、预应力和撑杆数不同参数下的变化情况，全面详细的探讨了结构的主要参数对结构静力性能的影响。
(3)为适应实际工程复杂条件的要求，常要将标准的张弦立体桁架结构的形式作适当变化。本文讨论了结构的转角和撑杆的布置方式对张弦立体桁架结构力学性能的影响情况。
(4)为满足实际工程中不同跨度的设计需求，本文针对张弦立体桁架结构的主要参数在不同跨度时对结构的受力性能影响情况进行了计算分析，讨论了结构参数和跨度二者之间的变化规律，为工程设计提供了参数选择的依据。
(5)对张弦立体桁架结构进行了模态和动力参数分析，明确了结构的频率和振型的变化特点，讨论了主要的动力参数对结构基本动力性能的影响情况，为深入探讨这种结构的动力性能作下铺垫。
Prestressed spatial truss string structure is derived from Beam String Structure. The stress of its members is succinct and definite. Tension and compression members complement each other and cooperate to making full use of advantages of different materials. In a word, this structure is a typical hybrid system with the combination of rigid and flexibility in large span structures. Because of the reasonable mechanical behavior of prestressed spatial truss string structure and the broad developmental space of large span structure in our country, it is sure that the structure will be used more and more widely.
As one of the most forelands in space structure, present study on prestressed spatial truss string structure is short of exhaustion and systematicness. Based on the existing researching findings on Beam String Structure and prestressed spatial truss string structure, taking use of the large common finite element program ANSYS, this paper mainly focuses on the following things:
(1)Taking use of the APDL(ANSYS Parametric Design Language) in ANSYS, this paper develop the special parametric program for the model building and the solution of the prestressed spatial truss string structure, which settles firm base for the intensive study of the mechanical behavior and the optimization design of the structure.
(2)The static behavior of one prestressed spatial truss string structure is analyzed systematically in this paper. The change of the structural internal forces and displacements with the rise-to-span ratio, sag ratio, prestress and the number of brace struts is studied and the influence of these parameters on the mechanical behavior is discussed compressively in detail.
(3)To adapt to the complicated conditions of real projects, the form of the prestressed spatial truss string structure is always needed to be modified properly. The influence of the rotation of the structure and the layout of brace struts on the mechanical behavior is discussed in this paper.
(4) To meet the challenge of the design for different span projects, the influence of the major parameters on the mechanical behavior at different spans is analyzed in this paper. The variation rule of these parameters with the span is discussed in this paper, which provides thereunder for project designs.
(5)Modal and dynamic parameters analysis for prestressed spatial truss string structure is conducted in this paper, which helps us acquaint the variation features of the frequency and the mode. The analysis of the major dynamic parameters on the basic dynamic behavior is discussed in this paper, which settles base for the intensive study of the structural dynamic behavior.
张弦立体桁架结构作为我国空间结构领域的前沿课题之一，目前对其还缺乏全面系统的研究工作。本文在原有对张弦梁以及张弦立体桁架研究的基础上，利用大型通用ANSYS软件，对该结构主要作了以下几个方面的研究工作：
(1)利用ANSYS软件中的APDL(ANSYS Parametric Design Language)语言，对张弦立体桁架结构的建模计算进行了参数化编程，为深入研究该结构的力学性能和结构的优化设计奠定了基础。
(2)对一张弦立体桁架结构的静力性能做了系统分析，研究了结构的内力和位移在矢跨比、垂跨比、预应力和撑杆数不同参数下的变化情况，全面详细的探讨了结构的主要参数对结构静力性能的影响。
(3)为适应实际工程复杂条件的要求，常要将标准的张弦立体桁架结构的形式作适当变化。本文讨论了结构的转角和撑杆的布置方式对张弦立体桁架结构力学性能的影响情况。
(4)为满足实际工程中不同跨度的设计需求，本文针对张弦立体桁架结构的主要参数在不同跨度时对结构的受力性能影响情况进行了计算分析，讨论了结构参数和跨度二者之间的变化规律，为工程设计提供了参数选择的依据。
(5)对张弦立体桁架结构进行了模态和动力参数分析，明确了结构的频率和振型的变化特点，讨论了主要的动力参数对结构基本动力性能的影响情况，为深入探讨这种结构的动力性能作下铺垫。
Prestressed spatial truss string structure is derived from Beam String Structure. The stress of its members is succinct and definite. Tension and compression members complement each other and cooperate to making full use of advantages of different materials. In a word, this structure is a typical hybrid system with the combination of rigid and flexibility in large span structures. Because of the reasonable mechanical behavior of prestressed spatial truss string structure and the broad developmental space of large span structure in our country, it is sure that the structure will be used more and more widely.
As one of the most forelands in space structure, present study on prestressed spatial truss string structure is short of exhaustion and systematicness. Based on the existing researching findings on Beam String Structure and prestressed spatial truss string structure, taking use of the large common finite element program ANSYS, this paper mainly focuses on the following things:
(1)Taking use of the APDL(ANSYS Parametric Design Language) in ANSYS, this paper develop the special parametric program for the model building and the solution of the prestressed spatial truss string structure, which settles firm base for the intensive study of the mechanical behavior and the optimization design of the structure.
(2)The static behavior of one prestressed spatial truss string structure is analyzed systematically in this paper. The change of the structural internal forces and displacements with the rise-to-span ratio, sag ratio, prestress and the number of brace struts is studied and the influence of these parameters on the mechanical behavior is discussed compressively in detail.
(3)To adapt to the complicated conditions of real projects, the form of the prestressed spatial truss string structure is always needed to be modified properly. The influence of the rotation of the structure and the layout of brace struts on the mechanical behavior is discussed in this paper.
(4) To meet the challenge of the design for different span projects, the influence of the major parameters on the mechanical behavior at different spans is analyzed in this paper. The variation rule of these parameters with the span is discussed in this paper, which provides thereunder for project designs.
(5)Modal and dynamic parameters analysis for prestressed spatial truss string structure is conducted in this paper, which helps us acquaint the variation features of the frequency and the mode. The analysis of the major dynamic parameters on the basic dynamic behavior is discussed in this paper, which settles base for the intensive study of the structural dynamic behavior.
引文
[1] 沈世钊．大跨空间结构理论研究和工程实践．中国工程科学，2001，3(3)：34-41
[2] 董石麟．预应力大跨度空间钢结构的应用与展望．空间结构，2001，7(4)：3-14
[3] 陆赐麟．预应力钢结构学科的新成就及其在我国的工程实践．土木工程学报，1999，32(3)：3-10
[4] 陆赐麟．预应力空间钢结构的现况与发展．空间结构，1995(1)
[5] 窦立军，袁令欣，袁志仁，朱坤．钢结构发展与应用中的问题．长春工程学院学报(自然科学版)，2002，3(2)：6-9
[6] 汪大绥，张富林，高乘勇，周健，陈红宇．上海浦东国际机场(一期工程)航站楼结构设计与研究．建筑结构学报，1999，20(2)：2-8
[7] 陈以一，沈祖炎，赵宪中，陈杨骥，汪大绥，高乘勇，陈红宇．上海浦东国际机场候机楼R2钢屋架尺寸试验研究．建筑结构学报，1999，20(2)：9-17
[8] 张立新．预应力索结构中的索单元数值模型．空间结构，2000，6(2)：18-23
[9] 白正仙，刘锡良，李义生．单榀张弦梁各因数的影响分析．钢结构，2001，16(3)：42-46
[10] 刘锡良，白正仙．张弦梁结构的有限元分析．空间结构，1998，4(4)：15-21
[11] 白正仙，刘锡良．张弦梁结构受力性能的分析．空间结构，1998，13(4)：4-8
[12] 刘开国．大跨度张弦梁式结构的分析．空间结构，2001，7(2)：39-43
[13] 丁阳，岳增国，刘锡良．大跨度张弦梁结构的地震响应分析．地震工程与工程振动．2003，23(5)：163-168
[14] 陈荣毅，董石麟，孙文波．大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析．空间结构，2003，9(1)：45-47
[15] 陈汉翔，舒宣武．预应力值对张弦梁结构受力性能的影响分析．华南理工大学学报(自然科学版)，2003，31(5)：79-84
[16] 范峰，支旭东，沈世钊．哈尔滨国际会展体育中心大跨钢结构设计．第三届全国现代结构工程学术研讨会论文集，2003
[17] 严慧，刘中华，张杰．用于玻璃采光顶的新型张弦梁结构及其受力性能研究．空间结构，2003，9(3)：19-23
[18] 齐永胜，周泓，苏康．用APDL语言解决张弦梁结构找形问题的方法齐永胜．山西建筑，2004，30(3)
[19] 李明强．关于“拉索拱结构”的讨论．钢结构．2002，17(2)：57-58
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[21] 剧锦三，郭彦林．索—拱结构的平面内稳定性研究．建筑结构学报，2001，22(4)：84-87
[22] 剧锦三，王芝芳，郭彦林．索在索拱结构中的作用．中国农业大学学报，2000，5(2)：112-116
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[24] 王秀丽，朱彦鹏．缓坡网架综合优化设计及CAD．基建优化，1998，19：34-38
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[27] 任俊超，童丽萍，赵轶西．郑州国际会展中心展厅钢屋盖的动力特性分析．世界地震工程，2004，20(1)：70-74
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[31] 陈荣毅，董石麟．大跨度张弦钢桁架的预应力施工．空间结构，2003，9(2)：61-63
[32] 李维滨，高飞，施骏．超大跨度预应力张弦桁架结构施工．施工技术，2003，32(7)：12-14
[33] 马杰，吕保盛，霍相如，李乐章．特大跨度预应力空间钢桁架施工．施工技术，1997，第11期：21
[34] 孙文波．广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨．建筑结构，2002，32(2)：54-56．
[35] [日]掘高夫，村山茂明．悬索理论及其应用．北京：中国林业出版社，1992
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[37] 谭建国．使用ANSYS进行有限元分析．北京：北京大学出版社，2002
[38] 杨睿．预应力张弦梁结构的形态分析及新体系的静力性能研究．浙江大学硕士学位论文，2002
[39] 单杭英．张弦梁结构的受力性能研究及程序开发．东北大学硕士学位论文，2001
[40] 白正先．张弦梁结构的理论分析与试验研究[D]，天津大学博士学位论文，1998
[41] 陈刚．振动法测索力与实用公式．福州大学，2003
[42] 方建．关于钢管混凝土拱桥施工过程优化的研究．武汉理工大学硕士学位论文，2001
[43] 陈维健．索桁预应力穹顶结构静动力性能研究．浙江大学硕士学位论文，2002
[44] M.Saitoh. Study on Mechanical Characteristics of Light-Weight Complex Structure Composed of A Mecberance and A Beam String Structures. IASS Smposium on Spatial Lttice and Tension Sructure, 1994, 633-641
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[46] Shiro Kato, ect. Active control of axial forces in beam string space frames, IASS Smposium on Spatial Lttice and Tension Sructure, 1994, 664-673
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