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基于MIDAS的张弦梁结构有限元分析 　　摘要：本文结合某社区游泳馆屋盖的张弦直梁的选型进行了分析。运用有限元软件MIDAS分别从张弦梁的高跨比以及撑杆个数与下弦预拉力的关系，分析自振模态与撑杆数目的关系，从而综合各个指标对梁结构进行了优化设计。 　　关键词： 张弦梁，梁截面高度，撑杆数量，自振频率 　　Abstract: In this paper, the selection of a straight beam-string in a community swimming pool has been studied using FEM software MIDAS. The height-span ratio and the relationship between pole number and the pre-tension as well as self-vibration modes is research based on FEM method. Based on the result, the design of the structure is optimized. 　　Key words: string beam, beam section height, pole number, self-vibration frequency 　　中图分类号：TB482.2 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012） 　　1 引言 　　某社区游泳馆的跨度为20.8m，原方案的屋盖为H型钢梁为主承重构件，次梁也为H型钢，屋面板为压型钢板为衬板的组合屋面板。由于跨度和空间的局限，原方案采用了较为传统的屋架梁作为主承重构件，为满足结构的应力和挠度要求，选择截面高度为1.6m。相对来说占据了较大的游泳馆的使用净空，而且从观感来说整个结构会欠缺轻盈。为此，本文提出一种较为新型的梁形式，张弦梁结构。由于该工程跨度较小，在原方案的基础上，上弦依然采用H型钢梁，增加了下弦的高强张拉索，所以降低了整个梁截面的高度和上弦梁H型钢梁的截面厚度。 　　2 张弦梁概念 　　张弦结构体系中最早出现的是张弦梁结构，它是由梁、柔性下杆、撑杆三类构件组成[1]，属于刚柔并济的结构形式。当张拉下弦的高强钢索时，可使上弦结构产生反拱，从而在承受相同荷载的情况下，结构的挠度很小，从而可以很好的分割空间。而张弦梁结构最初也是有预应力实腹梁发展起来的，不同的张拉工序对上弦的卸载能力也是不同的。一般来说，可以在未加荷载之前张拉下弦拉索。对于荷载分期加载的，可先对上弦施加一部分荷载，然后再张拉钢索，最后在把剩余的荷载全部加在到主梁上，卸载效果会更明显，这种方法也成为中张法。在施工条件允许的情况下，可多次分批加荷和张拉钢索，可以更好的发挥材料的应力潜能。 　　本工程跨度相比来说较小，故在原方案的基础上增加下弦张拉索，对结构加以改进，上弦采用实腹型钢梁，即所谓的张弦直梁。 　　3 有限元建模与分析 　　屋面恒荷载为5kN/m2（不含100mm厚屋面现浇板自重），屋面活荷载为4kN/m2，雪荷载0.4kN/m2，风荷载为0.45kN/m2，地面粗糙程度为B类。其他荷载按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）执行，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第一组。 　　3.1 原方案建模分析 　　根据结构所受荷载建立主梁的计算简图如图1，主梁尺寸为1600×400×14×28，次梁截面尺寸为300×200×6×10。 　　 　　图1主梁的计算模型 　　在MIDAS/Civil中建立有限元模型，以集中荷载所在位置即次梁搭接在主梁上的位置将梁分为十二个单元，共十三个节点，计算结构产生的挠度、应力以及自振模态。得到：跨中最大挠度为48.63mm，与计算跨度的比为0.00247，小于容许挠跨比[1/400]=0.0025；该工程采用的是Q345钢材，故其允许应力值为310MPa，在弯矩作用下，主梁的最大应力发生在跨中，为191MPa，小于梁的抗拉强度310MPa，最大剪应力发生在梁的两端，最大值45.3MPa,远小于Q345钢材的抗剪强度170Mpa；而对于自振模态，从图2中可以看到主梁的第一模态、第二模态发生侧向位移，第三模态发生竖直向的位移，振型变化也较为均匀，符合力学的一般规律。 　　 　　 　　图2 主梁的前八阶模态图 　　3.2 张弦直梁的有限元分析 　　共设计了撑杆数目不同的四类张弦直梁，而每类撑杆的有三种不同的高跨比，所以一共为12种方案。对应的上弦实腹钢梁的截面为工字形，尺寸为1000×400×6×25。图3为撑杆数目为三个时的有限元计算模型。 　　撑杆数目分别为