双向弦支组合楼盖结构静力性能及施工全过程分析

随着大型公共建筑的大规模建设,多层大跨度结构随之产生,其最大特点为楼盖跨度较大。目前能够应用于大跨度楼盖的结构体系主要有四类,即空腹夹层楼盖、钢桁(网)架组合楼盖、弦支楼盖以及预应力楼盖。为进一步提高楼盖结构跨越能力,提高传力效率,提出一种新型大跨度楼盖结构体系——双向弦支组合楼盖结构。首先通过数值模拟的方法,对新型结构体系的静力性能和传力机理进行了系统研究,重点讨论了结构在施工阶段和使用阶段的支座反力、拉索内力、钢梁内力以及混凝土内力的时空变化规律,其次通过与常规组合楼盖结构进行对比,研究新型楼盖结构在跨越能力方面的提升效果,最后对双向弦支组合楼盖结构的设计方法进行了探讨,研究了在设计中忽略施工过程对设计结果的影响。

结果显示:结构水平法向支座反力在混凝土施工阶段出现大幅增加,且边界中间位置与两侧位置水平反力方向相反,在使用阶段,结构的法向水平支座反力最大,其次是竖向反力,切向水平反力最小。滑动支座水平位移在施工过程中变化较小。拉索内力在施工过程中总的趋势是逐渐增加,但在张拉阶段中间位置拉索内力存在一定的回落,除张拉阶段以外,其他施工阶段及使用阶段均为中间位置索力大、两侧位置索力小。钢梁轴力在钢结构拼装和拉索张拉阶段时均为压力,在混凝土施工阶段和使用阶段呈现中部受拉、两侧受压的空间分布。钢梁弯矩在钢结构拼装阶段以正弯矩为主,在拉索张拉阶段以负弯矩为主,在混凝土施工阶段和使用阶段呈现中部正弯矩、两侧负弯矩的分布特点。混凝土板处于受压状态,弯矩数值较小;双向弦支组合楼盖相较于常规双向组合楼盖而言,支座水平反力、结构轴力、弯矩及竖向变形均有较大幅度的减小,静力性能优于常规双向组合楼盖;在双向弦支组合结构静力性能分析时,不考虑施工过程的计算结果与实际情况存在较大偏差,且大部分结构关键内力结果均偏小,对于结构设计而言存在一定安全隐患,所以建议在设计中采用考虑施工过程的方案进行分析。

近年来,随着我国经济社会的不断进步,大型公共建筑也进入了大规模建设时期,同时公共建筑的使用功能也得到了较大的提升,为满足使用要求,多层大跨度结构逐渐得到应用。多层大跨度结构最突出的特点就是屋盖和楼盖的跨度均较大,即结构中既存在大跨度屋盖又存在大跨度楼盖。大跨度屋盖结构的研究较为丰富,而大跨度楼盖结构方面的研究较少,楼盖结构方面的研究主要集中在传统楼盖结构形式,如混凝土楼盖、钢-混凝土组合楼盖、预应力混凝土楼盖、木结构楼盖等,然而上述传统楼盖结构形式适用于中小跨度,当应用于大跨度结构时,需要较大的构件截面及材料,在经济和外观方面无法达到理想效果。近年来,国内外学者针对大跨度楼盖结构逐渐展开了研究,主要包括空腹夹层楼盖、钢桁(网)架组合楼盖、弦支组合楼盖及预应力楼盖等。在空腹夹层楼盖方面,胡岚、高维成等提出一种 U 形钢板-混凝土高强螺栓连接组合空腹夹层板楼盖,并以黑龙江中医药大学文体中心为工程背景,对该楼盖结构体系的设计分析理论、动力特性、施工方法等进行了研究,结果表明,新型楼盖结构安全可靠,竖向 1 阶振动频率满足规范要求,卸载过程中楼盖受力和变形均满足规范要求,支撑体系承载力高、安全稳定性强。尚洪坤等提出了一种新型装配整体式 H 型钢空间钢网格楼盖结构,并以某实际工程为例,对楼盖的设计方法和关键节点构造措施进行了介绍,同时对楼盖的静力性能进行了分析,结果显示这种新型楼盖受力合理、安全可靠。徐向东等针对钢-混凝土协同式组合空腹夹层楼盖,进行了振动响应计算,在此基础上考虑了上、下肋刚度及上覆混凝土板厚度对舒适度的影响,分析表明采用行走路线法评价楼盖舒适度时应根据实际情况采用较长的路线并使其通过低阶振型中心。栾焕强等详细介绍了几种大跨度钢筋混凝土楼盖的构造特点,对比了钢筋混凝土密肋井字梁楼盖、钢筋混凝土空腹网架楼盖和钢筋混凝土空腹夹层板楼盖的力学性能和经济指标,结果表明钢筋混凝土空腹网架楼盖和空腹夹层板楼盖经济性能更好,具有明显的优势。在钢桁(网)架组合楼盖方面,周萌等以某高层建筑综合体底层大跨度结构为实际工程背景,基于内力计算、组合梁截面设计、舒适度验算以及节点设计等方面,研究大跨度固接组合楼盖的实用分析计算与设计方法。彭桂平等对一种新型的大跨度钢桁架-混凝土组合楼盖进行缩尺整体模型试验,结果证明结构具有良好的受力性能,适用于重荷载、大跨度、小结构高度的楼盖结构。张志强等以西安高铁站候车大厅为工程背景,对钢桁架-压型钢板混凝土组合楼盖进行了动力特性现场实测,研究了影响舒适度分析模型的结构、非结构参数,结果表明以承载能力为基准的有限元模型不适用于舒适度分析,舒适度分析时应考虑活荷载和装饰面层的影响,并应适当调整混凝土弹性模量取值。舒兴平等通过楼盖平面内单向加载试验,研究了全装配式桁架梁组合楼盖在平行于及垂直于拼装板缝方向受力时楼盖平面内受力变形性能、裂缝开展形态、水平荷载的分配与传递性能、楼盖的平面内刚度及整体变形性能。Graeme Flint 等通过数值模拟的方法,对钢桁架组合楼盖结构在火灾作用下的力学性能进行了研究,结果显示结构在火灾作用下的破坏模式主要是杆件逐渐失效,最终造成结构破坏,而不是突然破坏。Wendell 等通过足尺试验的方法,对钢网架组合楼盖结构的人致振动响应机理及振动控制进行了研究,结果显示该楼盖结构在人致激励下会产生较大的振动,采用 TMD 可以有效地控制结构振动。在弦支组合楼盖及预应力楼盖方面,杨维国等以内蒙古伊旗全民健身体育中心为工程背景,对张弦桁架楼盖振动开展有限元分析和现场实测,所得有限元分析结果与现场实测竖向加速度峰值及理论计算值吻合较好。Li 等通过数值模拟及现场实测的方法对新型预应力混凝土桁架楼盖结构的动力特性进行了研究,推导了该结构体系的自振频率公式,同时通过敏感性分析研究了结构参数对动力特性的影响,现场实测结果显示该楼盖属于低频楼盖结构。Estevez-Cimadevila 等提出一种新型自张紧木结构楼盖结构,并研究了在不同跨度下,新型楼盖结构在力学性能方面相较于普通木结构楼盖结构的优势。安琦等以河北师范大学体育馆为工程背景,明确了新型大跨度楼盖结构体系—张弦梁-混凝土板组合楼盖结构(弦支组合楼盖结构),并针对新型楼盖结构体系的力学性能进行了数值模拟,明确了结构受力机理,针对新型楼盖结构预应力施工进行施工全过程数值模拟及监测,揭示结构主要构件在各个施工阶段的受力及变形规律。An 等通过现场试验的方法,对新型大跨度楼盖结构张弦梁-混凝土板组合楼盖结构(弦支组合楼盖结构)的在大规模人致激励下的振动响应机理、振动控制机理及方法进行了研究,并对人致振动中的若干关键问题进行了讨论分析,最后结合结构振动响应和人体振动感知对振动控制效果进行评价。Qiao 等通过缩尺试验的方法,对新型大跨度楼盖结构体系弦支混凝土肋梁楼盖结构的力学性能,以及在施工过程中的受力特征进行了研究,明确了结构在施工过程中各构件的内力变化,结果显示该结构体系具有较好的承载能力和刚度,静力性能良好。

可以看到,相较于常规中小跨度楼盖结构而言,目前大跨度楼盖结构方面存在结构形式较少、研究规模较小等问题,本文在大型公共建筑大规模建设的背景下,针对大跨度楼盖结构形式较少的问题,提出一种新型大跨度空间楼盖结构形式——双向弦支组合楼盖结构,并通过数值模拟的方法,对新型结构的力学性能进行系统研究,对结构构成、静力性能及分析方法等进行了研究,并在力学性能方面与传统双向组合楼盖结构进行了对比,同时对该新型结构的数值模拟方案进行了讨论。

双向弦支组合楼盖结构主要由混凝土板、钢梁网格、索杆体系三大部分组成,如图 1 所示。钢梁与混凝土板通过栓钉连接以实现协同工作。双向钢梁之间采用刚接连接。索杆体系由撑杆和拉索组成,撑杆与上部钢梁连接采用铰接连接,仅传递轴力。拉索中施加预应力形成几何刚度。

图 1 双向弦支组合楼盖结构组成示意

为确定新型双向弦支组合楼盖结构的静力性能及传力机理,本文应用有限元软件 MIDAS/Gen,通过数值模拟的方法对结构静力性能进行研究。

在有限元模型(图 2)中,采用桁架单元对拉索进行模拟,采用释放端部转角约束的梁单元对撑杆进行模拟,采用梁单元对钢梁进行模拟,采用板单元对混凝土板进行模拟。基本模型中的边界约束条件较为复杂,其中施工阶段为 Y = 0 边钢梁约束 Y 向及 Z 向平动自由度、 X = 0 边钢梁约束 X 向及 Z 向平动自由度, X = l 边及 Y = l 边仅约束 Z 向平动自由度( l 为结构跨度,取为 40 m),施工完成后,使用阶段将三个方向的平动自由度均予以约束。梁单元与板单元在节点处设置刚体单元实现协同工作。荷载仅考虑恒载 DL 和活载 LL,恒载取值为 6 kN/m ² ,结构自重归入恒载,活载取值为 4 kN/m ² 。模型中混凝土强度等级取为 C30,钢材强度等级取为 Q345B,拉索强度等级取为 1570 MPa。

图 2 有限元模型

在对比分析之前,首先基于恒荷载和活荷载对结构进行初步设计,确定满足强度和变形要求的结构构件截面尺寸如下:钢梁截面采用 H700 × 300 ×16 × 26(支座附近局部截面尺寸为 H1400 × 500 × 20 ×38),撑杆截面采用 P140×5.5,拉索采用圆形截面,直径为 105 mm,混凝土板厚 150 mm,混凝土圈梁截面采用 700 mm×400 mm。

对于张弦(弦支)结构而言,预应力对结构的力学性能具有重要作用,弦支结构根据其成形过程一般分为初始态、预应力平衡态及荷载态,预应力的设计原则为预应力设计值应使得结构的预应力平衡态几何位形接近建筑图纸位形。同时,预应力施工顺序也是影响结构性能的重要因素之一,具体到双向弦支组合楼盖结构而言,应对施工过程进行考虑,即首先进行施工过程模拟,然后基于施工模拟完成后的初始状态,进行后续静、动力分析。在分析中,首先进行施工全过程分析,主要阶段及描述如图 3 所示。分析时采用 MIDAS/Gen 施工分析模块,将结构自重和预应力荷载设置为施工荷载,根据主要施工阶段划分为与图 3 相符的 4 个施工分析阶段。施工分析之后,基于施工分析结果,在结构继续施加恒载(不再包括自重荷载)及活载,进行后续使用阶段静力分析。

a—阶段 1:钢梁拼装,索杆体系拼装(分析设置:建立梁单元、桁架单元,施加边界约束,施加自重); b—阶段 2:预应力施加(分析设置:施加预拉力荷载);c—阶段 3:混凝土楼板、圈梁的浇筑及拆模(分析设置:建立板单元及梁单元,施加自重荷载);d—阶段 4:最终约束施加(分析设置:添加边界约束)。

图 3 结构主要施工阶段及分析设置

本节对双向弦支组合楼盖结构的静力性能进行研究。由于本文目的仅为研究结构受力特点及传力机理,所以选取工况(1.0 恒载+1.0 活载)作为分析工况。研究结构在此工况下的内力及变形等受力特征。选取结构建造全过程以及使用阶段的支座反力、拉索内力、钢梁内力、混凝土板内力及结构变形5 个指标对双向弦支组合楼盖结构的传力机理进行研究。

图 4 ~ 图 6 为分析得到的结构在使用阶段的变形及内力分布图。图 4 显示,结构竖向变形呈对称分布,中央挠度最大,由中央向四周逐渐减小;图 5a显示,在楼面范围内,钢梁轴力呈对称分布,中间钢梁轴力最大,单根钢梁跨中位置受拉,靠近支座位置受压;图 5b 显示,在楼面范围内,钢梁弯矩呈对称分布,中间钢梁弯矩最大,单根钢梁跨中位置正弯矩,靠近支座位置负弯矩,且弯矩呈不连续分布,这主要是由于刚体单元的剪力和轴力的影响;图 6a 显示,混凝土板 X 向轴力中部最大,图 6b 显示,混凝土板绕 Y 轴弯矩以钢梁网格为单位呈点状分布,在每一个钢梁网格内,中心为最大正弯矩,边部刚体单元位置为最大负弯矩。

图 4 竖向变形分布图 mm

a—轴力,kN; b—弯矩,kN·m。

图 5 钢梁内力分布图

a— X 向轴力,kN; b—绕 Y 轴弯矩,kN·m。

图 6 混凝土板内力分布图

需要指出的是,本文中钢梁与混凝土之间的连接采用建立刚体单元模拟两者协同工作,实际上两者通过栓钉进行连接,数值模拟与实际情况存在一定的误差,主要表现在两个方面,一是刚体单元间距大于栓钉间距,二是数值模拟中梁单元与板单元之间的所有内力均通过刚体单元传递,而实际情况中混凝土板的自重直接通过钢梁上翼缘传递、剪力通过栓钉传递。这两个方面的误差导致数值模拟得到的构件内力分布的不连续程度会大于实际情况,通过内力分布图 5 和 6 也可以看到,但由于总体的分布规律是基本一致的,且本文的主要目的是在结构层面上对新型楼盖体系的受力机理进行研究,所以存在一定误差是可以接受的。

根据结构变形及内力分布图,选取如图 7 所示的路径 1 上的内力及变形进行详细对比分析,计算结果如图 8 ~ 14 所示,其中,由于结构对称性,支座反力沿着(0,0)点和(40,40)点连线呈对称分布,所以施工阶段支座反力仅给出 X = 0 边界,使用阶段支座反力仅给出 X = 0 m 和 X = 40 m 边界。

图 7 有限元模型关键节点及构件编号

图 8 显示,施工阶段 X 向支座反力在阶段 1、2较小,但在阶段 3 出现大幅增加,沿边界中间与两侧支座反力方向呈反向分布。 Z 向支座反力在施工过程中总体呈增长趋势,但在阶段 2,中间位置支座反力出现部分回落,而后又继续增加,空间分布方面,沿边界由中间向两侧反力逐渐减小。图 9 显示,在使用阶段,支座反力中法向水平反力最大,其次是竖向反力,切向水平反力最小,空间分布方面,沿边界法向水平反力与竖向反力呈中间位置大、两侧位置小,切向水平反力沿边界呈反向分布。

a— X 向; b— Z 向。

图 8 施工阶段 X = 0 边界支座反力

a— X = 0 边界; b— X = 40 边界。

图 9 使用阶段边界支座反力

图 10 显示,在施工过程中,滑动支座的水平位移最大为 3.07 mm,数值较小,施工时在支座预留相应尺寸即可。图 11 显示,在施工过程中,结构竖向位移存在较大的变化,阶段 1 为竖向向下变形,最大为 -31.01 mm, 阶段 2 为竖向向上变形,最大为42.04 mm,阶段 3、4 相较于初始几何位形略微起拱,最大变形为 6.6 mm, 使用阶段最大变形为 -55.7 mm。

a— X 向; b— Y 向。

图 10 施工阶段支座水平位移

图 11 竖向变形

图 12 显示,拉索内力在施工过程中总的趋势是逐渐增加,但在阶段 2 中间 4 号拉索存在一定的回落,空间分布方面,除阶段 2 以外,均为中间大两侧小,阶段 2 为两侧大中间小,这主要是由于在拉索张拉过程中,上部钢梁会产生变形进而引起索力损失,其中中部位置上部结构周边约束较弱,在张拉时变形较大,从而索力损失也较大。

图 12 拉索内力

图 13 显示,钢梁轴力在施工阶段 1、2 时均为压力,在施工阶段 3 呈现中部受拉、两侧受压的空间分布,在使用阶段这种空间分布特点更为明显,且压力数值大于拉力。钢梁弯矩在施工阶段 1 以正弯矩为主,且弯矩最大位置在两侧 1/4 跨位置,在阶段 2 以负弯矩为主,在阶段 3 呈现中部正弯矩、两侧负弯矩,且中部弯矩数值小、两侧弯矩数值大的分布特点,在使用阶段这种空间分布特点更为明显,且负弯矩数值大于正弯矩数值。需要指出的是,有限元分析结果中,钢梁在支座附近存在较大负弯矩是因为有限元模型中采用刚体单元模拟钢梁和混凝土板之间的连接,且刚体单元两端节点分别与板单元和梁单元共节点,而刚体单元两端节点又存在一对反向剪力,由于剪力数值较大且间距(梁高加板厚的1/2)也较大,这对反向剪力形成较大力偶,并通过共用节点直接传递给梁单元引起较大负弯矩。而在结构实际受力状态中,栓钉连接钢梁与混凝土板,且栓钉根部在钢梁上翼缘,所以一方面,由于剪力间距(栓钉高度)较小栓钉剪力形成的力偶也较小,另一方面,力偶作用在钢梁上翼缘,所以实际结构中,钢梁在支座位置的负弯矩应该较小。因此,在分析钢梁支座位置弯矩时,采用刚体单元连接或耦合自由度的方法来模拟钢-混凝土之间的连接可能会造成数值偏大,然而,一方面,模拟结果的整体趋势与实际相符,另一方面,分析得到的弯矩数值偏大对于结构设计而言更为安全。

a—轴力; b—弯矩。

图 13 钢梁内力

图 14 显示,混凝土板在施工阶段和使用阶段均处于受压状态,使用阶段压力数值有较大增加,弯矩分布均为中部正弯矩、两侧负弯矩,但数值较小,最大仅为 10.56 kN·m。

a—轴力; b—弯矩。

图 14 混凝土板内力

综合拉索、钢梁及混凝土板的内力分布可以看到,在结构跨中位置,结构以受弯为主,由于钢梁拉力、混凝土板及拉索拉力通过截面形心间距和垂度构成力矩,抵抗外部荷载,所以钢梁中部位置弯矩较小。在支座附近,钢梁轴力为压力主要是由于支座反力使得钢梁端部受压,钢梁弯矩为负弯矩主要是由于有限元模型中端部混凝土板与钢梁连接单元剪力引起的力矩传递到了钢梁。

为了显示新型结构在受力上的优异性,本节通过对比新型双向弦支组合楼盖结构与常规双向组合楼盖结构静力性能,对新型结构性能的特点进行介绍,常规组合楼盖结构采用与弦支楼盖结构相同荷载、边界条件、构件布置及截面尺寸,但没有下部索杆体系。图 15 ~ 图 18 为计算结果对比。

a— X = 0 边界; b— X = 40 边界。

图 15 支座反力对比

图 16 竖向变形对比

a—轴力; b—弯矩。

图 17 钢梁内力对比

a—轴力; b—弯矩。

图 18 混凝土板内力对比

图 15 显示,常规双向组合楼盖结构的法向水平反力远大于双向弦支组合楼盖结构,反力最大位置较弦支楼盖约大 90%,切向水平反力也大于弦支楼盖,竖向反力几乎相等。图 16 显示,常规双向组合楼盖结构的竖向变形远大于双向弦支组合楼盖结构,变形最大位置较弦支楼盖大 485%。图 17 显示,常规楼盖的钢梁轴力大于弦支楼盖,弯矩也大于弦支楼盖,尤其是跨中位置,弯矩差距较大,常规楼盖较弦支楼盖约大 480%。图 18 显示,常规楼盖的混凝土轴力大于弦支楼盖,如跨中位置大 47.4%,弯矩相差较小。

综上所述,弦支楼盖相较于常规楼盖而言,内力及变形均有较大幅度的减小,静力性能优于常规楼盖,具有较强的跨越能力。

对于张弦(弦支)结构而言,预应力对结构的力学性能具有重要作用,预应力的施工顺序也是影响结构性能的重要因素之一,具体到双向弦支组合楼盖结构而言,目前有两种数值模拟分析方案(表 1),其中方案 2 符合结构实际受力状态,方案 1 忽略了结构在施工过程中承载后的初始状态,但因简便易行在设计分析中得到了相对广泛的应用,本节对两种分析方法进行综合对比,对方案一的误差进行评估。

表 1 数值模拟方案描述

5.1 分析设置

在方案 1 中,结构边界条件均为使用阶段约束,即钢梁梁端均为 X 、 Y 、 Z 三向平动约束,所有单元及边界条件同时激活,并加载分析。

在方案 2 中,首先进行施工分析,主要阶段及描述如表 1 所示。分析时采用 MIDAS/Gen 施工分析模块,将结构自重和预应力荷载设置为施工荷载,根据主要施工阶段划分为与图 3 相符的 4 个施工分析阶段。施工分析之后,基于施工分析结果,在结构施加恒载(不再包括自重荷载)及活载,进行后续使用阶段分析。

5.2 结果对比

本节选取工况(1.0 恒载 + 1.0 活载)作为分析工况。研究结构在此工况下的内力、应力及变形等受力特征,计算结果如图 19 ~ 23 所示,其中方案 2提取施工分析结束后继续施加正常使用荷载后的结果。

a—x = 0 边界各支座反力; b— x = 40 边界各支座反力; c— y = 0 边界各支座反力; d— y = 40 边界各支座反力。

图 19 支座反力对比图

图 19 显示,两种方案分析得到反力分布规律基本相同,各边均为中间支座反力大,两侧支座反力较小。两种方案结果中竖向支座反力相差较小,以反力数值最大的中间支座为例,结果最大相差1.22%;在 X = 40 与 Y = 40 边界上的水平支座反力也相差较小,同样以数值最大的中间支座为例,结果最大相差 5.8%;但在 X = 0 与 Y = 0 边界上的水平反力有较大差距,以数值最大的中间支座为例,在 X =0 边界上的 X 方向水平反力及在 Y = 0 边界上 Y 方向水平反力结果最大相差 16.7%。相较于方案 2,方案 1 计算得到的水平支座反力普遍偏小。

图 20 竖向变形对比

图 20 显示,两种方案分析得到的变形规律基本一致,均在跨中达到最大值,但数值存在较大偏差,以数值最大的跨中位置变形为例,结果相差 27%(15.2 mm);图 21 显示,两种方案分析得到的拉索内力分布规律基本一致,均为各边中部拉索内力大,边部拉索内力较小,但数值存在一定偏差,以数值最大的 4 号拉索为例,索力相差 9.4% (153 kN)。相较于方案 2,方案 1 计算得到的竖向挠度和拉索内力普遍偏大。

图 21 拉索内力对比

图 22 显示,两种分析方案得到的钢梁内力分布规律基本一致,沿梁的跨度方向,轴力为跨中部分受拉,两侧部分受压,弯矩是跨中正弯矩,两侧负弯矩。但数值存在一定偏差,轴力方面以跨中拉力最大和边部压力最大位置为例,结果分别相差 22%(321 kN)和 12.1%(501 kN);弯矩方面以跨中正弯矩处和边部负弯矩处为例,结果分别相差 40%(68 kN·m)和 6.9%(114 kN·m)。相较于方案 2,方案 1 计算得到的钢梁轴力偏小,弯矩也存在部分偏小。 

a—轴力; b—弯矩。

图 22 钢梁内力对比

图 23 显示,两种分析方案得到的混凝土板内力分布规律基本一致,沿路径 1 方向,轴力在跨中部分达到最大值,混凝土板弯矩较小,在两侧位置为负弯矩,在跨中位置为正弯矩,但数值存在一定偏差,轴力方面以跨中数值最大位置为例,结果分别相差9.1%(89 kN);弯矩方面以跨中正弯矩最大位置为例,结果分别相差 23.5%(1.6 kN·m)。相较于方案2,方案 1 计算得到的混凝土板轴力和弯矩均偏小。

a—轴力; b—弯矩。

图 23 混凝土板内力对比

综上所述,相较于方案 2,方案 1 的计算结果在支座反力、结构内力及变形的分布规律方式基本一致,但支座水平反力数值有较大差距,且得到的水平支座反力普遍偏小,竖向挠度和拉索内力普遍偏大,钢梁轴力和弯矩数值也有较大差距,且数值普遍偏小,混凝土板轴力和弯矩数值存在一定偏差,且结果均偏小。可见采用方案 1 分析得到的结果与实际情况存在较大偏差,且大部分关键内力数值的结果均偏小,对于结构设计而言存在一定安全隐患,所以建议在设计中采用方案 2 进行分析。

本文在大型公共建筑大规模建设的背景下,针对大跨度楼盖结构形式较少的问题,提出一种新型大跨度空间楼盖结构形式——双向弦支组合楼盖结构,并通过数值模拟的方法,对新型结构的结构构成、静力性能、跨越能力优势及分析方法等进行了研究,主要结论如下: 

1) 结构水平法向支座反力在混凝土施工阶段出现大幅增加,且边界中间位置与两侧位置水平反力方向相反,竖向支座反力在施工过程中总体呈增长趋势,最大竖向反力出现在边界中间位置。在使用阶段,结构的支座反力中,法向水平反力最大,其次是竖向反力,切向水平反力最小,法向水平反力与竖向反力最大数值均出现在边界中间位置,切向水平反力沿边界呈正负反向分布。

2) 在施工过程中,滑动支座水平位移的变化数值较小,施工时在支座预留相应尺寸即可,但结构竖向位移在施工过程中存在较大变化,宜进行监测控制。

3) 拉索内力在施工过程中总的趋势是逐渐增加,但在张拉阶段中间位置拉索内力存在一定的回落,且在此阶段由于上部钢梁产生向上起拱变形进而引起索力损失,所以两侧位置索力大、中间位置索力小。除张拉阶段以外,其他施工阶段及使用阶段均为中间位置索力大、两侧位置索力小。

4) 钢梁轴力在钢结构拼装和拉索张拉阶段时均为压力,在混凝土施工阶段和使用阶段呈现中部受拉、两侧受压的空间分布,且压力数值大于拉力。钢梁弯矩在钢结构拼装阶段以正弯矩为主,最大弯矩在两侧 1/4 跨位置,在拉索张拉阶段以负弯矩为主,在混凝土施工阶段和使用阶段呈现中部正弯矩、两侧负弯矩的分布特点。但需要指出的是,在分析钢梁支座位置弯矩方面,采用刚体单元连接或耦合自由度的方法来模拟钢-混凝土之间的连接会造成弯矩结果偏大,对于设计而言更为安全。

5) 混凝土板在施工阶段和使用阶段均处于受压状态,使用阶段压力数值有较大增加,弯矩分布均为中部正弯矩、两侧负弯矩,但数值较小。

6) 双向弦支组合楼盖相较于常规双向组合楼盖而言,支座水平反力、结构轴力、弯矩及竖向变形均有较大幅度的减小,静力性能优于常规双向组合楼盖,具有较强的跨越能力。

7) 在双向弦支组合结构静力性能分析时,相较于考虑施工过程的分析方法而言,不考虑施工过程的计算结果存在较大偏差,且不考虑施工过程计算得到的大部分结构关键内力结果均偏小,对于结构设计而言存在一定安全隐患,所以建议在设计中采用考虑施工过程的方案进行分析。