带弹簧杆装置的张弦桁架结构力学性能研究

普通张弦桁架结构由于其具有受力合理、自重轻、施工便捷等优点,已被广泛应用于许多实际工程中并取得了良好的经济效益,但由于该结构体系自重较轻,在强风地区遭受风揭破坏的现象也时有发生。为避免此类现象的出现,减少经济财产损失,充分发挥张弦桁架结构自身的特性,提高其安全性和适用性,设计了一种适用于张弦桁架结构体系的弹簧杆装置,利用该装置可实现结构体系抵抗强风和承受常规荷载,满足张弦桁架结构在强风地区的使用要求。为深入研究该装置对结构性能提升的影响程度,进一步探索弹簧杆对结构受力特性的影响规律,以某跨度为150 m、高度为45 m、长度为160 m的张弦桁架结构为研究对象,利用商业有限元软件MIDAS/Gen,分析了弹簧杆装置的刚度、布置位置及布置角度等参数对结构受力性能的影响。首先介绍弹簧杆装置设计概念及构造,详细阐述其组成部分及工作原理,并说明在有限元软件中模拟该装置的方法。随后分别取弹簧刚度为20,50,100,300 kN/mm,并将各个刚度的弹簧杆依次布设在张弦桁架的第一道、第二道和第三道次桁架下,计算在特定荷载组合下结构的最大位移、最大应力和最大索力。最后设置弹簧杆与地面的夹角分别为30°、45°、60°和90°,计算在风荷载控制荷载组合下结构的最大位移,并且分析了弹簧杆布置对结构动力性能的影响。研究结果表明:1)在“1.3恒+1.5活”荷载组合下,弹簧杆装置刚度为100 kN/mm且布置在第二道次桁架下时,结构的最大位移、最大应力和最大索力比相应普通张弦桁架结构的分别下降了60.12%、34.68%和32.13%,说明该装置对结构抵抗恒、活荷载的作用明显,并且很大程度地降低了结构的应力和索力的大小,可以减小结构体系的负担;但当弹簧刚度大于50 kN/mm时,该装置对结构性能的提升作用不再明显。2)在“1.3恒+1.05活+1.5风”荷载组合下,弹簧杆装置与地面的夹角为30°时,结构的最大位移降低了54.77%,表明弹簧杆可有效降低风荷载对结构的影响。3)从结构的自振频率来看,除第一周期外,布设该装置的张弦桁架结构均比普通张弦桁架结构的自振周期小,可见该装置能增大结构的刚度。