索和膜结构课件[详细]

索和膜结构同济大学土木工程学院张其林2010.9杭州游泳馆郑州杂技馆天津保税区标志天津保税区标志塔沪嘉高速公路加油站博螯论坛第一部分建筑索结构第一章索的构成和力学性能第二章索的计算模型第三章计算分析中的基本概念第四章索结构分类第五章索结构初始状态找形第六章设计验算中的基本概念第七章索结构的荷载效应分析1、索——拉杆、拉索（1）拉杆——杆身+锚头+调节套筒杆身:合金钢、不锈钢不锈钢：建筑幕墙结构，直径12～60合金钢：建筑主体结构，直径20～210强度级别235级、345级、460级、550级和650级第一章索的构成和力学性能锚头：叉耳式（U型）、单耳式（O型）、螺杆式（I型）U型锚头O型锚头I型锚头型号规格：LG-abD×LLG表示拉杆；a、b表示拉杆两端的锚头形式；D表示直径；L表示长度。LG-UU150×6000：直径150mm、长度6000mm、两端锚头均为U型的钢拉杆（2）拉索——索体+护层+锚具索体：钢丝束索体、钢丝绳索体钢丝束索体(spiralstrand)：由单股高强度钢丝或钢绞线按平行或半平行方式扭绞而成,高强度钢丝的直径一般为5mm和7mm。型号一般表示为:()d×N，其中d为高强钢丝或钢绞线的直径，N为索体中高强钢丝或钢绞线的数量。建筑用钢丝束:()5×7～()5×649()7×7～()7×649高强度钢丝直径小于5mm膜结构可采用纤维钢丝绳，其他建筑应采用钢芯钢丝绳钢丝绳索体(wirerope):由钢丝束围绕绳芯扭绞而成，绳芯可采用纤维芯或钢芯钢丝绳索体的规格一般表示为：N×MN为绳中钢丝束的股数（不计绳芯）M为每股钢丝束中高强钢丝的数量建筑和桥梁结构中钢丝绳的规格范以6×M居多。纤维芯钢丝绳（6×19）钢芯钢丝绳（6×19）护层：简单防护和多层防护——防腐简单防护——对钢丝和钢绞线镀芯、锌铝、防护漆、环氧喷涂——对光索体包裹防护套多层防护——对高强钢丝和钢绞线经防腐处理后再对索体包裹防护套或润滑材料加防护套。室内非腐蚀环境：索体可采用简单防护处理其它情况：索体应采用多层防护处理具体要求宜根据不同工程不同索材在设计中注明。索体护层材料宜选用高密度聚乙烯。锚具：冷铸锚——锚杯内冷铸带钢丸的有机结合剂热铸锚——锚杯内填充浇注低熔点合金压接锚——钢板与索体通过压力机挤压成型夹片锚——热加工后的钢夹片与索体自锁镦头锚——钢丝或钢绞线端头加工成镦头卡在夹板上锚具组件为低合金结构钢压接锚锚具宜应用于直径44mm的索体，索体直径超过规定数值时应进行试验验证。热铸锚锚杯的坯件可选用锻件或铸件，锻件材料应为优质碳素结构钢或合金结构钢。耐久性较好冷铸锚锚杯的坯件宜选用锻件，耐久性较差，多用于斜拉桥中的斜拉索销轴、螺杆的坯件应选用锻件。锚具的强度应符合钢索破断后而锚具和连接件均不能破断的准则，必要时应通过试验来确定。√√按连接方式锚具可分为销轴式连接和螺纹式连接；按调节形式可分为固定式连接和可调式连接；对于可调式连接可采用螺栓调整、套筒调整；按组成形式可分为叉耳式、单耳式。2、索的应力应变曲线和弹性模量对于面积为A长度为L的松弛的新索，在拉力N作用下伸长ΔL，如果定义应力，应变，则应力——应变关系如图１.5所示：ANLL图1.5松弛新索的应力——应变关系松弛新索：未经反复张拉消除残余应变的新索；张紧索：反复加卸载后（10次）已消除了大部分残余应变，再次加载并卸载后只有较小的残余应变，例如p0.1mm/m。张紧索在一定的加载范围内可视为线弹性的，其弹性模量一般比松弛新索高20—30%。高强钢丝和钢绞线的弹性模量约：2.0×105MPa，索体的弹性模量＜2.0×105MPa。钢索弹性模量：钢丝束索体的弹性模量不应小于1.9×105MPa；钢丝绳索体的弹性模量：单股不应小于1.4×105MPa，多股不应小于1.1×105MPa。设计强度：桥梁结构中拉索的安全系数K=2.5建筑结构中考虑可靠度指标4.2，可取材料抗力系数为2.0相应的安全系数大于等于2.5钢丝束公称破断力[荷载]（Nominalbreakingforce[load]）高强钢丝的标准抗拉强度乘以钢丝束的公称截面面积，钢丝束拉索静载破断荷载不应小于索体公称破断荷载的95%。钢丝绳公称破断力[荷载]测定方法：整绳破断力和钢丝绳内钢丝破断力总和，钢丝绳拉索的最小破断荷载不应低于相应规范规定的最小破断力。拉索抗拉强度按下式设计或验算：拉索的抗力分项系数，取2.0。fANmaxkRff3、索的蠕变张紧索在工程设计中可以忽略索正常工作寿命内的蠕变效应。避免弯曲应力。应在设计中注意避免索承受附加的变化弯曲应力。从这一角度出发，应该优先选用可自由转动的索端头，而不是具有一定转动刚度的端头。4、索的疲劳1、基本假定第二章索的计算模型只受拉不受压和弯；线弹性材料。较细较短的索，自重影响不大将索的自重等效作用到两端节点处可采用直线两节点线单元。较粗较长的索，自重影响较大，宜采用能考虑跨中自重的单元多段直线两节点单元(可考虑人与方向荷载)，通用和专业软件均具有，适用性最强近似两节点单元(可考虑任意方向荷载)，通用软件不具有，适用于桅杆结构中的拉索悬链线单元(仅考虑竖向自重)通用软件不具有，仅适用于室内索2、只拉不压的两节点索单元nRnnuffukkk10nRnnxffukk1T.LU.L222222222222nmnnlnmnnlmnmlmmnmlmnllmlnllmlnmnnlnmnnlmnmlmmnmlmnllmlnllmlLEkx100100010010001001100100010010001001LAkCTCnRnmlnmlAf,,,,,3、考虑跨中自重效应的近似两节点索单元)()()(1iiicctStTtfukTiictTdDdStTk)()()()()(111iiitStTtfTnmlnmlT,,,,,122233LAqESSLAEdDdShhwiiifftStTtf01)()()(索作用在结构节点上的外荷载'0,sin21,cos21,0,sin21,cos21'21,0,0,21,0,00gLgLf220coscos1dLwW22202220coscos1sincoscoscoscos1sindwgdwq4、悬链线单元（1）坐标轴和符号Lu、L——索的原长和变形后长度；Ti、Tj——索两端节点张力；W——索自重。（2）基本方程22122234ijTFFTFF3142uFFFFWL悬链线方程可表示为：22222sinhLVH12WHF2cosh2sinhWFVL412221ln12juijijiFTLHFEAWTFTTVTTEAWW4242121ln2jujiiFTLLFTFTFEAWTF（3）已知几何和张力求原长当已知索I节点张力Ti、重量W、几何坐标V、H时，可按以下步骤求索的原长：1．假定F1；2．求，求L，求F2；3．检查Ti是否满足给定要求，不满足重新假定F1转步骤2；4．Tj；5．F4；6．解Lu。（4）已知几何和原长解节点力可以假定F1、F2，计算F3、F4，计算Ti、Tj，计算V、H，如果不符合给定的值可以重新假定F1、F2，直至满足精度要求。V、H表达式可写成：412221ln()012juijijiFTLFHEAWTFGFTTTTVEAWW1112()34'()'nnnnnnGFGFGFFFGF42111234241111jijiujiHFFTTFWFTTWLFFTTEAW11'nnnnFFFFGFGF1nnFFF取，取，并满足。1.01nnGFGF（5）悬链索单元的刚度矩阵注意到V、H表达式中的独立变量只有F1和F2，建立如下增量方程：12121212HHVVdHdFdFdVdFdFFFFF，121342dFdHdFdV1111242222122211421dFkkdHdFkkdV{'}''''''TiiijjjxyzxyzFFFFFFF{'}''''''Tiiijjjuuvwuvw111211222''''''''0'000dFKduSSKSSkkFSHkk{}TiiijjjXYZXYZFFFFFFF{}Tiiijjjuuvwuvw2211111112221111222SSKSSFFmkllmklmklHHFSlkmkmHsymkdFKdu1.主动索和被动索2.索结构的三个状态和分析类别3.找形分析时是否考虑自重4.索结构的几何5.索结构的位移定义6.索结构的刚度特征7.“索杆体系”和“索梁体系”第三章计算分析中的基本概念1.主动索和被动索主动索：受张拉的索段，原长改变、控制拉力，张拉完毕后予以固定。被动索：张拉前两端固定于结构节点，张拉中原长不变、拉力变化。2.索结构的三个状态和分析类别建筑索结构形成的一般步骤：搭设支承体系、安装钢结构构件和被动索→零状态；张拉主动索、撤除支承体系、形成自平衡体系→初始状态；荷载作用下→工作状态。3.找形分析时是否考虑自重在自重作用下调整主动索预张力至给定值后进行固定初始状态下主动索预张力效应+结构自重效应共同作用找形分析时应同时考虑自重作用在无自重作用情况下张拉主动索至给定值并进行固定再将结构安装就位与主动索力对应的平衡状态为初始状态自重考虑为恒载、找形分析时不考虑4.索结构的几何定义零状态几何——构件制作和拼装时的几何；初始状态几何——结构施加预张力完成后的几何；工作状态几何——外部荷载作用下结构达到的几何。图纸几何——建筑设计图纸中所规定的结构几何，是已知的。结构的初始状态几何应该等于图纸几何相吻合、是已知的；结构的零状态几何必须依据图纸几何确定、是未知的。实际计算时可考虑以下两种情况：(1)初始状态几何可不严格满足图纸几何→零状态几何=图纸几何结构刚度较大预张力变形很小、预张力变形与自重效应抵消时,非线性分析法：将图纸几何取为零状态几何，按图纸几何建立计算模型，进行非线性分析计算得到结构的初始状态的几何和内力。(2)初始状态几何与图纸几何吻合→初始状态几何=图纸几何结构较柔预张力变形较大、或预张力变形与自重效应迭加时，“拆杆加力法”：将图纸几何取为结构的初始状态几何，按图纸几何建立计算模型，拆除主动索在其两端节点加上主动索力，进行线性分析确定与图纸几何对应的预张力平衡内力5.索结构的位移定义结构自零状态至初始状态会产生位移，结构在外部荷载作用下自初始状态至工作状态也会产生位移，结构的位移有两种可能的定义：位移一：结构自零状态至工作状态的位移；位移二：结构自初始状态至工作状态的位移。位移一位移二位移一位移二对结构位移进行限制是考虑结构正常使