支撑体系对大跨空间结构受力性能的影响
摘 要：空间结构设计过程中易忽视支撑体系对整体结构受力性能影响的分析,通过对两种常见结构体系及实际工程分析,总结支撑体系对不同结构形式的影响规律。对于平面空间结构体系,若各榀桁架跨度及受力情况不同,支撑体系会协调各榀桁架的变形,改变单榀桁架内力分布；对于曲面空间结构体系,支撑体系可能会改变结构的传力路径,纵向支撑可能会在曲面内产生壳体内力,改变结构内力分布。因此,应对带有支撑体系的整体结构进行分析。
关键词：大跨空间结构；支撑体系；受力性能
支撑体系的布置和设计是空间钢结构设计的重要组成部分。对于一般的平面桁架结构,支撑系统主要由横向水平支撑、纵向水平支撑及竖向支撑构成,其传力路径明确,桁架主要传递竖向荷载,支撑和桁架构成空间几何不变体系来抵抗风荷载和地震等水平作用。因此,对于这类平面结构,一般的整体计算过程可不考虑支撑体系的影响,仅对平面桁架进行分析,支撑体系根据概念及经验布置,必要时进行局部复核。而对于由桁架等单向传力结构构成的空间不规则曲面结构或平面不规则结构,若整体计算分析时不考虑支撑作用,后续设计单独布置支撑,支撑体系很可能会影响原结构的传力路径及内力分布,导致计算模型与实际结构产生偏差。本文通过具体案例分析支撑体系对于空间不规则结构整体受力性能的影响。 1 平面结构体系
如图1所示,分别建立跨度为30 m、高度为1.5 m的单榀平面桁架(模型a)以及由该单榀桁架扩展而成的多榀等跨桁架(模型b)和多榀不等跨桁
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架(模型c)。模型b为由5榀桁架通过周边交叉支撑及6道上、下弦纵向支撑构成空间几何不变体系；模型c由5榀不等跨平面桁架通过交叉支撑及纵向支撑构成,其中中跨跨度为30 m、边跨跨度为18 m。3种模型均在桁架上弦节点施加相同的竖向荷载(50 kN),计算结果如表1所示。
a—单榀桁架(模型a);b—多榀等跨桁架(模型b); c—多榀不等跨桁架(模型c)。
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1—18 m跨；2—24 m跨；3—30 m跨。 图1 平面结构模型 表1 桁架1(HJ1)计算结果
项目跨中挠度/mm跨中上弦内力/kN跨中下弦内力/kN模型a126-27222716模型b127-27842754模型c100-25012055
3种模型中桁架1跨度、杆件截面荷载等均相同,由计算结果可以看出,模型b与模型a的计算结果基本一致,而模型c位移及内力均较模型a和模型b小。原因在于模型b各榀桁架相同,其变形一致,因此即使在布有支撑的情况下,各榀桁架之间相互影响较小,其计算结果与单榀桁架计算结果基本一致；模型c各榀桁架之间跨度不同,刚度及变形也不尽相同,在支撑的作用下,整体结构为达到变形协调,各榀桁架之间相互影响,使桁架1挠度及内力较单榀桁架计算结果偏小,而其相邻较小跨度桁架内力及位移较单榀桁架偏大。
通过以上分析可以看出,对于此类由桁架等一维传力结构构成的空间结构,若各榀桁架跨度及受力等情况相同,可仅对单榀桁架进行计算分析,再通过支撑的布置形成空间体系；而对于各榀桁架跨度及受力不同的情况,需考虑支撑的作用对空间结构进行整体计算分析。 2 曲面结构体系
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如图2所示,模型a为一跨度为30 m的空间柱面结构,端部为半径18.5 m的圆弧形三角桁架拱,拱脚采用铰支约束,次桁架为跨度30 m的倒三角空间立体桁架,截面高2 m,共6榀；模型b为在模型a的基础上每两榀次桁架之间设置水平支撑,为保证对称性,中间两榀次桁架设置交叉支撑；模型c为在模型b的基础上增设纵向支撑。对3种模型分别施加2 kN/m2的竖向均布荷载,进行静力、动力及屈曲分析,计算结果如表2所示。
a—无支撑柱面空间桁架;b—带支撑空间桁架1;c—带支撑空间桁架2。 图2 空间曲面结构模型 表2 计算结果
模型挠度/mm次桁架跨中上弦内力/kN次桁架跨中下弦内力/kN腹杆1内力/kN1阶周期/s线性屈曲系数模型a22-467750-270.38176模型b22-520770-280.18165模型c14-330440-800.1764
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由表2可以看出,模型a与模型b静力计算结果相近,而动力特性及屈曲特性存在差异；模型c静力计算结果与模型a及模型b结果相差较大；模型b与模型c动力特性相近,而屈曲特性差异较大。图3和图4分别给出了3种模型的1阶振型及1阶屈曲模态,通过综合对比可以发现,模型a由于没有布置支撑,其在次桁架跨度方向刚度较弱,因此1阶振型以沿次桁架跨度方向振动为主,模型b及模型c布置水平支撑,结构整体刚度得到加强,1阶振型主要表现为次桁架间的振动。
a—模型a;b—模型b；c—模型c。 图3 1阶振型
a—模型a;b—模型b；c—模型c。
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支撑体系对大跨空间结构受力性能的影响
