张弦结构分析

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1、1 例题例题4 4 张弦结构分析张弦结构分析 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 2 例题例题. . 张弦结构分析张弦结构分析 概要概要 此例题将介绍利用midas Gen做张弦结构分析的整个过程，以及查看分析结果的方 法。 该 例题的建模部分可以参见midas Gen初级培训的网架建模步骤，这里不再做介绍。通 过该例题希望用户能够了解做张弦结构分析的一般步骤和过程，重点是让用户了解在 midas Gen中施加和调整索单元张拉力的方法、几何非线性分析的设置及如何对带有 索单元的结构进行弹性反应谱分析。 张弦结构概述张弦结构概述 张弦结构是将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡

2、的受力体 系，是一种大跨度预应力空间结构体系。 张弦结构上弦刚性构件可以是实腹式梁，也可以是格构式桁架，据此对不同的张弦结 构可称作张弦梁或张弦桁架。本例题中介绍的模型使用张弦桁架。 张弦结构的特点张弦结构的特点 张弦结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的桁 架或梁而使体系的刚度和稳定性大为增强。 对张弦结构中索施加一定的预拉力，这既可使索具有适当的初始绷紧度，也可对索与 桁架或梁之间的受力比例进行必要调整；既充分发挥了索的抗拉能力，又调整了桁架 或梁的内力分布（使桁架或梁中的内力分布趋于均匀） 张弦结构的形态定义张弦结构的形态定义 张弦结构像悬索结构等柔性结构一

3、样，根据张弦结构的加工，施工及受力特点，通常 将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态三种。 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 3 （1）：零状态 零状态是拉索张拉的前状态，实际上是指构件的加工和放样状态，通常也称结构放样 态。 当索张拉完毕后，结构上弦构件的形状将发生偏离，从而不能满足建筑的要求，因 此，张弦结构上弦构件的加工放样要考虑这种索张拉后带来的变形影响，这是张弦结 构要进行零状态定义的原因。 （2）：初始态 初始态是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态，通常也称预应力态。 初始态是建筑施工图中所明确的结构外形。 （3）：荷载态 荷载态是外荷载作用在初始态结构上发生变形后的平衡状态。

4、 张弦桁架在张弦桁架在midas中的计算中的计算 此例题的分类及各自的步骤如下: 一、已知索单元初拉力的情况下，求索单元的拉力变化及结构的变形。 1.1. 简介 2.2. 设定操作环境及定义材料和截面 3.3. 建立张弦梁一个锥体 4.4. 形成张弦网架 5.5. 定义边界条件 6.6. 输入各种荷载 7.7. 定义几何非线性分析控制数据 8.8. 运行分析 9.9. 查看结果 二、对带有索单元的结构进行反应谱分析 1.1. 索单元拉力添加（即对索单元进行张拉） 2.2. 运行分析并查看结果 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 4 一一. .已知索单元初拉力的情况下，求索单元的拉力变化及结构的

5、变形已知索单元初拉力的情况下，求索单元的拉力变化及结构的变形 1.1.简简介介 本例题张弦桁架的几何形状、边界条件以及所使用的构件如图1所示。边界条件设定 为一端铰接，另一端为滑动支座。本例题中荷载只考虑自重、屋盖作用恒荷载、活荷 载、索的初拉力。(本例题数据仅供参考) 本例题基本数据如下： 上（下）弦主梁：P29914 腹杆：P1528 上弦支撑：P1216 撑杆：P1598 拉索：D100（预应力索） 钢材：Q345 上弦梁圆弧半径：R=168m；上下弦距离：1.8m 注意注意：进行几何非线性分析时，需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后 的结果，必须将该荷载组合作为一个工况进行非

6、线性分析，查看该工况的结果。不能 象弹性分析时，直接查看分析后几种单独工况的线性组合结果。 荷载工况 1 自重 荷载工况 2 屋面恒荷载 10kN （节点荷载） 荷载工况 3 屋面活荷载 5kN （节点荷载） 索初拉力 770kN 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 5 轴侧图轴侧图 平面图平面图 立面图立面图 图图1 1 分析模型分析模型 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 6 2.2.设定操作环境及定义材料和截面设定操作环境及定义材料和截面 在建立模型之前先设定环境及定义材料和截面 1. 主菜单选择 文件文件新项目新项目 2. 主菜单选择 文件文件保存保存: 输入文件名“平板网架”并保存

7、3. 主菜单选择 工具工具设置设置单位系单位系: 长度 m, 力 kN 图图2 2 定义单位体系定义单位体系 4主菜单选择 特性特性材料材料材料特性值材料特性值 添加：定义Q235钢材 材料号：1 名称：Q345 设计类型：钢材 规范：GB03(S) 数据库：Q345 材料类型：各向同性 点击确认按钮 注：也可以通过注：也可以通过 程序左侧程序左侧树形菜树形菜 单单“模型“模型 材料材料 和截面特性和截面特性 材材 料”料”来定义材来定义材 料料。同样。同样，其他其他 操作操作也可通过也可通过左左 侧侧树形菜单实树形菜单实 现。现。 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 7 图图3 3 定义材料

8、定义材料 5主菜单选择 特性特性截面截面截面截面特性值特性值 添加：定义上弦、下弦和腹杆、柱截面尺寸 图图4 4 定义截面定义截面 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 8 3 3. .建立张弦梁建立张弦梁一个锥体一个锥体 1主菜单选择 节点节点/单单元元节点节点建立建立节点节点（快捷键Ctrl+Alt+1） 建立节点1（0,1,0），2（0,-1,0），3（0,0,-1.8） 2主菜单选择 节点节点/单元单元单元单元扩展扩展（快捷键Alt+5） 选中节点1、2，输入相应参数，如图5所示 选中节点3，输入相应的参数，如图6所示 3主菜单选择 节点节点/单元单元单元单元建立单元建立单元（快捷键Al

9、t+1） 选择材料为Q345，截面P1528，桁架单元，连接（1,6）、（2,6）、（4,6）、（5,6）； 选择材料为Q345，截面P1216，桁架单元，连接（1,2）、（4,5）、（1,5）； 删除多余节点及杆件，如图7所示 图图 5 5 扩展节点扩展节点1、2 图图6 扩展节点扩展节点3 图图7 删除多余删除多余节点及杆件节点及杆件 注：快捷键可注：快捷键可 通过通过主菜单主菜单 “工具工具 用户用户自自 定义定义 自定义自定义 键盘键盘”实现。实现。 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 9 4 4. .形成张弦形成张弦网架网架 1主菜单选择 节点节点/单元单元单元单元旋转旋转 选中需旋

10、转单元，设定旋转参数，如图8所示 图图8 旋转依次锥体旋转依次锥体 2主菜单选择 节点节点/单元单元单元单元建立单元建立单元 补充建立上弦支撑及下弦主梁，如图9所示（注意单元类型） 图图9 补充补充建立单元建立单元 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 10 3主菜单选择 节点节点/单元单元单元单元旋转旋转 利用1、2步骤方法，建立右侧张弦梁网架，如图10所示 图图10 旋转旋转单元单元 4主菜单选择 节点节点/单元单元单元单元建立建立单元单元 利用相对坐标，建立端部短竖杆，利用两点方式建立其他单元 利用相对坐标，建立撑杆，撑杆长度依次为0.5m，2.7m，4.3m，5m（数值仅供参考） 利用两

11、点建立预应力拉杆（不勾选交叉分割，注意单元类型、材料和截面），如图11所示 5. 主菜单选择 节点/单元单元镜像 全部选中，输入镜像参数，如图12所示 镜像完成后补充建立缺少的张弦拉杆及下弦主梁 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 11 图图11 建立其他构件建立其他构件 图图12 镜像单镜像单元元 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 12 5 5. .定义边界定义边界条件条件 1主菜单选择 边界边界边界边界一般支一般支承承 定义张弦梁边界条件，一边为铰接、一边为滑动支座，如图13所示 图图13 边界条件边界条件 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 13 6.6.输入各种荷载输入各种荷载 设定

12、荷载工况，输入自重、屋面恒荷载、屋面活荷载。 1主菜单选择 荷载荷载 建立荷载工况建立荷载工况 静力荷载工况静力荷载工况 定义恒载DL，活载LL，预应力，空工况四种荷载工况 图图14 14 定义荷载工况定义荷载工况 2. 添加恒载、活载 主菜单选择 荷载荷载 静力荷载静力荷载 结构荷载结构荷载/ /质量质量 节点荷载节点荷载 选择上弦节点，选择荷载工况DL输入FZ荷载值-10kN（注意单位），恒载就加上 去了。利用前次选择，同样操作，选择荷载工况LL，输入FZ荷载值-5。 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 14 图图15 施加施加节点节点荷载荷载 3.由荷载组合建立荷载工况 主菜单选择 荷载

13、荷载 建立荷载工况建立荷载工况 使用荷载组合使用荷载组合 在使用非线性分析的时候，需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结 果，必须将该荷载组合作为一个工况进行非线性分析，查看该工况的结果。 分析结束后，将不同的荷载工况分别乘以不同的组合系数进行叠加组合的方法，只适 合于线弹性的分析。 midas Gen中可以通过“荷载建立荷载工况使用荷载组合”将某一（多）荷载组合 生成一（多）种荷载工况，再利用该工况进行分析。 本例题中，假设需要查看的是在1.2倍恒荷载（包括自重）和1.4倍活荷载（即 1.2D+ 1.4L）组合下的结果。 注意注意：使用该功能的时候，程序只将荷载组合中原来各个工况

14、已经添加的荷载复制 到新建的工况中，但是原来工况中在使用该功能后添加的荷载，程序不会自动复制。 具体步骤为具体步骤为： a.a. 结果结果 组合组合 荷载组合荷载组合，定义1.2D+1.4L b.b. 荷载荷载 静力荷载静力荷载 建立荷载工况建立荷载工况 使用荷载组合，使用荷载组合，将定义的1.2D+1.2L荷载组合移 动至右侧，点击适用即可。 该功能可以批量由荷载组合建立荷载工况。 例如在本例题中，如果在利用该功能生成了新的名为“1.2D+1.4L”的荷载工况后， 又在“D”荷载工况中，添加了新的恒荷载，那么，新添加的恒荷载不会自动的复制 到“1.2D+1.4L”的荷载工况中，需要利用该功能

15、再手动生成一次。 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 15 图图1616 由荷载组合生成荷载工况由荷载组合生成荷载工况 4.添加索单元的初拉力 在midas Gen中，进行几何非线性分析（大位移）分析时，给索单元加初拉力的方法 有三种： 1、 荷载荷载 初始荷载初始荷载/ /其它其它 初始荷载初始荷载 大位移大位移 几何刚度初始荷载，几何刚度初始荷载， 2、 在建立单元的时候，“单元类型”选择为索单元时，使用无应力长度“Lu”或者 直接加“初拉力”， 3、 荷载荷载 温度温度/ /预应力预应力 预应力预应力 初拉力初拉力 方法一施加的初拉力相当于内力。这可以用以下两点来理解：一是该力不属于任何

16、荷 载工况。在查看某一荷载工况下的索单元内力时，显示的数值为该荷载工况作用下索 单元内力和索中初拉力两者的合力。二是它只作用在施加了力的索单元上，在分析时 该方法加的初拉力只影响索单元的刚度，不会对结构中其它构件产生内力或者位移。 例题例题 张弦结构分析张弦结构分析 16 （添加一个空工况，即只给工况类型，不添加任何属于该类型的荷载值，分析后可以 看到空工况作用下结构中不产生位移，只有索单元有内力，其余构件的内力为零。） 几何刚度初始荷载提供的是刚度，而不是外力，外力是会对整个结构产生影响的。可 以这样理解，在进行几何非线性分析的时候，索其实相当于桁架，只是在每一步迭代 时，索单元内的拉力会不断