鸟巢型索结构的力学分析研究.pdfVIP

第十届全国现代结构丁程学术研讨会 鸟巢型索结构的力学分析研究 郭勋姜喜争王超 河北建设集团有限公司，保定071070 提要；本文通过对鸟巢型索结构的力学分析、Ansys建模计算，说明该结构是可以实现的，同时它传力路径合理明确，总 体重量轻、造价低、以及建筑形态灵活多样，有着广泛的发展空间。 关键词：鸟巢型索结构 Ansys有限单元法 ．‘上_—-L 一、刖置 悬索结构可以说是最古老的结构形式之一，其最早可以追溯到在桥梁结构中的应用。而其在房屋建筑 结构中的应用是从20世纪50年代开始。这一方面是由于大跨度建筑的社会需求不断增加的推动，另一方 面也是悬索结构的材料、分析设计理论、施工技术等方面的问题不断获得解决、经验不断积累的结果。 由于空间结构不仅具有三维空间的结构形体，而且在荷载作用下是三向受力，星空间作用，结构成形 和受力分析都极为复杂，因此空间结构的发展必然和科技进步联系在一起。近二三十年来，高强度材料的 使用、新施工技术的发展以及电子计算机的广泛应用为大跨度空间结构的发展提供了极为有利的条件，各 种形式的空间结构如雨后春笋蓬勃发展。 大跨空间结构从受力性能上可分为三大类：刚性结构体系、柔性结构体系和组合结构体系。其中，柔性 结构体系杆件多为柔性构件，体系施加预应力成形后方可承受荷载，成形过程伴随着刚体位移和大变形。 属于这一体系的结构有：悬索结构、充气膜结构等。这一类结构主要由一系列高强度的钢索组成张力结构， 可充分利用钢索的高强抗拉功能，因而相对刚性结构体系用料经济、跨度大。这类大跨结构体系的技术重 点与难点是如何在风与地震等不对称荷载作用下，有效保障结构的刚度和稳定性。作为空间结构一种的鸟 巢形索结构最先是浙江大学董石麟教授提出的，并对其做了一定的研究。 鸟巢型索结构分析的意义 鸟巢形国家体育场是2008年北京奥运会的中标方案，其屋盖主体结构实际上是两项不规则斜交的平面 桁架系组成的椭圆平面网架结构。这是一种新的网架结构形式，迄今为止对这种结构的研究在国内外还不 曾有过。但是钢架结构自重大、造价高，施工也不方便。于是我们设想如果将其改为索结构是否会更重量 轻、造价低、建筑形态美观呢。悬索结构的受力特点是仅通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载的作用，结构中 不出现弯矩和剪力效应，因此可充分利用钢材的强度。当采用高强度钢材时，更可以大大减轻结构的自重， 较为经济地跨越很大的空间。悬索结构形式多样，布置灵活，并能适应多种建筑平面，因此能够较好的满 足建筑功能和造型要求。另外，由于钢索的自重很小，屋盖结构一般也较轻，屋盖安装不需要大型起重设 备。特别是目前悬索结构连接节点的加工技术和锚固系统已很完善，预应力张拉工艺及控制技术也非常成 熟，因此悬索结构的加工、制作和旖工也比较方便。下面运用有限元计算方法对单索结构、悬索结构进行 理论分析，并用Ansys建模计算，最后对计算结果进行分析评价。 工业建筑2010增刊 第十届全同现代结构工程学术研讨会 三、理论分析、建模计算 一 单索的理论分析 这里首先分析单索的基本特性。在分析悬索结构时，一般均假设索是理想柔性的，既不能抗压也不能 抗弯，且在外荷载作用下应力、应变关系满足胡克定律。下面在这两个基本前提下讨论索的受力性能。 代表。由于索是理想柔性的，索的张力T只能沿索的切线方向作用。设索上某点张力的水平分量为H，则 它的竖向分量为V Htan0：H睾。由该索截出的水平投影长度为dx的任意微分单元及作用其上的内力和外 e／x 力如图3—2所示。根据微分单元的静力平衡条件，有 yx O Jr一 _dH+q，：O 3．1-1 dX 图1 索微分单元及其所作用的内力和外力 z杯o 要 H妾 dx+q d七dx 工业建筑2010增刊