張弦梁張拉試驗研究

張弦梁張拉試驗研究

0張弦梁結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀張力梁結(jié)構(gòu)由剛性構(gòu)件、支撐和支撐桿組成，并通過向索中添加預拉伸形成整體結(jié)構(gòu)。作為一種非剛性結(jié)構(gòu),張弦梁結(jié)構(gòu)的幾何性態(tài)和力學性能與張拉過程密切相關。目前關于張弦梁結(jié)構(gòu)的研究主要集中在使用階段的結(jié)構(gòu)性能上,如結(jié)構(gòu)受力機理、各參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力性能的影響、使用階段的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)抗震性能等,而對張拉階段的結(jié)構(gòu)性能還缺乏系統(tǒng)的研究。本文基于正交試驗設計思想,設計了11個考慮多參數(shù)影響的張弦梁模型試件并進行張拉試驗。結(jié)合試驗和理論分析探討了張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程的結(jié)構(gòu)性能,并分析了梁弦剛度比、矢跨比、撐桿數(shù)量、臨時支架和施工順序等參數(shù)對張拉過程中結(jié)構(gòu)性能的影響。1張拉試驗，張裕梁結(jié)構(gòu)1.1剛性構(gòu)件彈性模量和剛度增長的數(shù)量一般地,影響張弦梁結(jié)構(gòu)張拉階段受力性能的參數(shù)主要有梁弦剛度比α、矢跨比κ、撐桿數(shù)量、臨時支架數(shù)量和施工順序等5個,α和κ的含義見式(1)。α=EbΙz/(EcAcL2)?κ=f/L(1)α=EbIz/(EcAcL2)?κ=f/L(1)式中,Eb、Ec分別表示剛性構(gòu)件和索的材料彈性模量;Iz、Ac分別表示剛性構(gòu)件繞垂直結(jié)構(gòu)平面的主軸的慣性矩和索的截面面積;f為結(jié)構(gòu)的矢高,等于剛性構(gòu)件高度和索垂度之和;L為結(jié)構(gòu)的跨度。為以較少試件數(shù)量考察這些參數(shù)對張弦梁結(jié)構(gòu)性能的影響,作者以正交試驗設計理論為基礎,設計了如表1所示的張弦梁結(jié)構(gòu)模型試驗方案。表1中,試件BSS-A～BSS-H組成正交試驗組L8(27),每個試件為一榀張弦梁,對梁弦剛度比、矢跨比、撐桿數(shù)量和臨時支架數(shù)量等4個參數(shù)進行研究;試件BSS-I和BSS-J為二榀張弦梁,二者的區(qū)別在于施工順序的不同,BSS-I先安裝兩榀張弦梁之間的支撐,然后同時對二者進行張拉,BSS-J先分別對兩榀張弦梁進行張拉,然后再安裝二者之間的支撐;試件BSS-K為一榀張弦梁,對其的張拉一直持續(xù)到結(jié)構(gòu)跨中的拱起位移約為跨度的1/60,以追蹤張拉產(chǎn)生大變形時張弦梁結(jié)構(gòu)的受力性能。1.2滑動鉸支架試驗圖1給出了張弦梁結(jié)構(gòu)試件模型。所有試件跨度均為6m,剛性構(gòu)件(下文稱拱梁)有BM1和BM2兩種類型,截面如圖1b所示。試件的一端為固定鉸支座,允許結(jié)構(gòu)平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動;另一端為滑動鉸支座,允許縱向水平位移和結(jié)構(gòu)平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。索采用7高強鋼絲,鋼絲兩端墩頭,通過錨杯與拱梁連接;撐桿為48×2.5的圓管,上端與拱梁為單面鉸接,即在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)接近理想鉸接,在結(jié)構(gòu)平面外接近理想剛接;下端與索之間用特制索扣連接,以實現(xiàn)理想鉸接。試驗中采用彈簧作為臨時支架以考慮實際結(jié)構(gòu)中的臨時支架在結(jié)構(gòu)自重作用下的變形。典型的試驗模型如圖1c所示。對于BSS-I和BSS-J,二榀張弦梁通過交叉支撐組成整體結(jié)構(gòu),如圖1d所示。各試件的參數(shù)具體取值見表1。1.3臨時支架前張拉力和張拉目標為模擬實際結(jié)構(gòu)在張拉前剛性構(gòu)件無法承擔結(jié)構(gòu)自重荷載的特點,試驗中在拱梁上施加約為拱梁自重兩倍的配重,配重大小見表1。張拉分為兩個階段:起拱前——拱梁完全脫離臨時支架前;起拱后——拱梁完全脫離臨時支架后。起拱前,千斤頂每級施加的張拉力約為600N,在拱梁即將脫離臨時支架時,每級張拉力減小到約200N;起拱后,千斤頂每級施加的張拉力約300N,直至張拉到預定的拱起位移,即張拉目標。BSS-I和BSS-J在張拉結(jié)束后還對試件進行加載試驗。試驗中主要測量內(nèi)容有結(jié)構(gòu)位移(包括豎向位移、水平位移)、索拉力、拱梁內(nèi)力、支撐內(nèi)力等。2試驗結(jié)果的值驗證2.1臨時支架結(jié)構(gòu)數(shù)值分析采用張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程分析程序PABSS對張弦梁模型的正交試驗系列(試件BSS-A～BSS-H)進行數(shù)值分析,數(shù)值分析模型如圖2所示,其中節(jié)點編號依次為～。采用梁柱單元模擬拱梁和撐桿,采用懸鏈線索單元模擬索,采用只壓不拉桿單元模擬臨時支架。分析模型中,左端支座對三個方向的位移和扭轉(zhuǎn)自由度進行約束,右端支座對豎向和側(cè)向位移以及扭轉(zhuǎn)自由度進行約束,對跨中的臨時支架設置豎向約束。2.2結(jié)構(gòu)的水平位移圖3給出了在不同張拉力作用下,張弦梁跨中豎向位移ΔV(圖2中節(jié)點)和水平位移ΔH(圖2中節(jié)點)的試驗值與數(shù)值分析的比較。圖中,結(jié)構(gòu)的豎向位移向上為正,平面內(nèi)水平位移向右為正;G表示結(jié)構(gòu)的自重(含配重);T表示張拉力,圖例中帶“(T)”表示試驗值,不帶“(T)”為數(shù)值分析結(jié)果。從圖3可以看出,對不同參數(shù)的模型,試驗值和數(shù)值分析結(jié)果都基本吻合,證明了試驗結(jié)果和數(shù)值分析結(jié)果是準確可信的。3張力梁結(jié)構(gòu)張拉過程的結(jié)構(gòu)性能3.1張拉過程結(jié)構(gòu)的整體變形性能3.1.1拱梁臨界張拉力及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性試件BSS-K在張拉力作用下,拱梁跨中豎向位移(圖2中節(jié)點)和支座水平位移(圖2中節(jié)點)的關系如圖4所示。為描述結(jié)構(gòu)的變形特點,用式(2)定義張拉階段結(jié)構(gòu)的整體張拉剛度,其含義為在相對張拉力(ΔT/G)作用下結(jié)構(gòu)的相對變形(Δ/L)。Κby=ΔΤ/GΔby/LΚbx=ΔΤ/GΔbx/LΚay=ΔΤ/GΔay/LΚax=ΔΤ/GΔax/L(2)Kby=ΔT/GΔby/LKbx=ΔT/GΔbx/LKay=ΔT/GΔay/LKax=ΔT/GΔax/L(2)式中,Kby、Kay分別為拱梁脫離臨時支架前、后張弦梁的豎向張拉剛度;Kbx、Kax分別為拱梁脫離臨時支架前、后張弦梁的水平張拉剛度;ΔT、G分別為張拉力增量、結(jié)構(gòu)自重;Δby、Δay分別表示剛性構(gòu)件脫離臨時支架前、后張弦梁跨中的豎向位移增量;Δbx、Δax分別表示剛性構(gòu)件脫離臨時支架前、后張弦梁支座水平位移增量。圖4中曲線轉(zhuǎn)折點表明拱梁脫離臨時支架,其對應的張拉力為臨界張拉力Tcr?？梢钥闯?以臨界張拉力為分界點,張弦梁結(jié)構(gòu)的變形隨張拉力的增大分為接近線性的兩個階段。在脫離臨時支架前,結(jié)構(gòu)支承在自身支座和臨時支架上,結(jié)構(gòu)位移隨張拉力增大緩慢增長;脫離臨時支架后,結(jié)構(gòu)支承在自身支座上,結(jié)構(gòu)位移隨張拉力增大急劇增長。拱梁脫離臨時支架后,張弦梁結(jié)構(gòu)的豎向張拉剛度緩慢減小,由剛脫離臨時支架時的129下降到結(jié)束張拉時的114,減小11.6%;而水平張拉剛度減小更多,由440下降到317,減小了28%。不同方向結(jié)構(gòu)張拉剛度變化不同是由于在張拉力的作用下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的變形,結(jié)構(gòu)水平跨度減小,拱梁高度增加,由此引起拱梁的矢跨比增大,在同樣的張拉力增量下,支座水平位移增量增大較為顯著。張弦梁結(jié)構(gòu)張拉剛度的降低說明張拉引起的變形較大時,張拉力與結(jié)構(gòu)變形并非保持線性關系,結(jié)構(gòu)分析應考慮大變形的影響。3.1.2臨界張拉力tcr在臨界張拉力Tcr和結(jié)構(gòu)自重作用下,張弦梁結(jié)構(gòu)無需附加的臨時支架可以支承在兩端支座上而且變形幾乎為0,說明此時張弦梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)成形并具備整體剛度。除了平衡結(jié)構(gòu)自重外,張弦梁結(jié)構(gòu)可能還需引進用于調(diào)整結(jié)構(gòu)性能(位形和內(nèi)力)的預拉力,即脫離臨時支架后施加的預拉力。因此,實際工程中可以以剛性構(gòu)件脫離臨時支架判斷結(jié)構(gòu)是否具備整體剛度,并以臨界張拉力為界將施加的預拉力TP分成兩個部分ΤΡ=ΤD+ΤA(3)式中,TD為用于抵消張弦梁結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的變形而引進的預拉力;TA為用于調(diào)整結(jié)構(gòu)性能而引進的預拉力。在張拉力作用下,張弦梁結(jié)構(gòu)受力如圖5所示,根據(jù)力的平衡方程可以得到臨界張拉力Tcr,用式(4)近似計算Τcr/G≈Μ0Gf=qL2/8qfL=18f/L=0.125/κ(4)式中,M0為在結(jié)構(gòu)自重作用下,將結(jié)構(gòu)視為簡支梁時的跨中彎矩。試驗BSS-A～BSS-H實測的Tcr/G如圖6所示,可以看出試驗值與式(4)的計算值基本符合。以上分析表明,張弦梁結(jié)構(gòu)的張拉剛度體現(xiàn)張拉過程的結(jié)構(gòu)整體變形性能,而臨界張拉力是結(jié)構(gòu)成形的標志,這兩類指標能較全面描述張拉力與結(jié)構(gòu)變形的關系,是反映張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程整體性能的主要指標。3.2張拉力作用下的內(nèi)拉力分布圖7是試件BSS-K在張拉力作用下拱梁1-1截面(見圖1a)頂部和底部的應變發(fā)展趨勢,可以看出在張拉力作用下,頂部受拉底部受壓,而且底部應變大小大約是頂部的兩倍。這與使用階段截面頂部受壓、底部受拉的受力特點差異很大,說明張弦梁結(jié)構(gòu)設計中必須充分考慮張拉過程構(gòu)件受力的最不利部位。3.3張拉力作用下?lián)螚U傾角在張拉力作用下,結(jié)構(gòu)在豎向整體向上拱起,在縱向整體向非滑動端移動,水平跨度減小。此外,張拉力作用下?lián)螚U的空間位置也會發(fā)生明顯的變化。圖8表示試件BSS-K撐桿底端的水平位移同張拉力的關系,節(jié)點、位置如圖2所示。在張拉力作用下,撐桿底端向滑動支座方向移動;張拉結(jié)束時,撐桿底端的位移方向和大小同頂端相差很大。圖9表示撐桿4(見圖1a)在張拉前和張拉結(jié)束時在結(jié)構(gòu)平面內(nèi)位置的改變,張拉前后撐桿的傾角達1/8.3。綜上,張拉力作用導致結(jié)構(gòu)三方面的位形變化:水平跨度縮小、整體上拱和撐桿傾斜。因此,在設計中應該合理考慮張拉階段結(jié)構(gòu)位形的改變對結(jié)構(gòu)最終位形的影響。4參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響的顯著分析4.1方差分析結(jié)果上述分析表明,張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程的整體性能可以通過臨界張拉力和張拉剛度來體現(xiàn),表2列出了正交試驗得到的這些指標值。為判斷各參數(shù)對各指標影響的顯著性,采用F值檢驗法對各參數(shù)的顯著性進行判斷。對表2的數(shù)據(jù)進行方差分析可以得到各參數(shù)在不同顯著水平下的平均偏差平方和(Se/de)與誤差平均偏差平方和的比值F值,見方差分析表3。一般地,給定四個顯著水平ζ=0.01、0.05、0.10、0.25,從F分布表上查出F0.01、F0.05、F0.10、F0.25等數(shù)值,用方差分析得到F值與其進行比較,根據(jù)以下準則對各參數(shù)的顯著性進行判斷:(1)F>F0.01,參數(shù)對指標影響特別顯著,稱“高度顯著”,記為“**”;(2)F0.01≥F>F0.05,參數(shù)對指標影響顯著,稱“顯著”,記為“*”;(3)F0.05≥F>F0.10,參數(shù)對指標比較重要,稱“較顯著”,記為“(*)”;(4)F0.10≥F>F0.25,參數(shù)對指標有影響,稱“不顯著但有影響”,記為“[*]”;(5)F≤F0.25,參數(shù)對指標無顯著影響,稱“不顯著”,不作記號。從表3看出:撐桿數(shù)量對臨界張拉力和張拉剛度的影響都不顯著;梁弦剛度比對臨界張拉力沒有影響,對脫離臨時支架前的張拉剛度有顯著影響,對脫離臨時支架后的剛度影響特別顯著;矢跨比對張弦梁結(jié)構(gòu)的臨界張拉力和張拉剛度的影響都特別顯著;臨時支架數(shù)量對脫離臨時支架前張拉剛度的影響特別顯著。4.2安裝支撐順序?qū)埾伊号R界試件BSS-I結(jié)果表明,安裝支撐后再進行張拉的施工順序會給支撐帶來附加內(nèi)力。引起支撐附加內(nèi)力的變形主要有支撐兩端點間弦長的變化、張弦梁的側(cè)向位移和兩榀張弦梁不同步變形等。表4中給出了試件BSS-I中由實測值換算得到的張拉和加載所引起的支撐最大內(nèi)力,支撐編號見圖1d。張拉和加載引起的支撐內(nèi)力符號方向可能不同,其次與加載產(chǎn)生的內(nèi)力相比,張拉引起的內(nèi)力可能更大。在實際工程中,考慮到支撐安裝時的附加內(nèi)力、制作上的偏差以及可能出現(xiàn)的更不利的變形和約束等因素,由于先安裝支撐導致的支撐附加內(nèi)力將可能更大,因此在設計中必須加以考慮。圖10比較了試件BSS-I和BSS-J實測的張弦梁模型在張拉階段拱梁跨中豎向位移,BSS-I1表示試件BSS-I中BSS1的測量結(jié)果,其余類似。從圖中可以看出,對BSS1,試件BSS-I的Tcr比BSS-J大;而BSS2則恰好相反,試件BSS-I的Tcr比BSS-J小。這說明BSS-I安裝支撐再張拉時,兩榀張弦梁之間有較大的相互作用力,BSS1對BSS2起支承作用,使得BSS2脫離臨時支架所需的張拉力比無支撐張拉更小,而BSS1則更大。BSS-I和BSS-J試驗結(jié)果表明,不同施工順序?qū)埾伊盒阅苡酗@著影響,主要表現(xiàn)為兩個方面:第一,支撐的存在使得兩榀張弦梁之間出現(xiàn)相互支承的關系,導致結(jié)構(gòu)的臨界張拉力發(fā)生變化;第二,由于張拉引起的支撐附加內(nèi)力在設計中不可忽略。5大變形和變形對張弦梁結(jié)構(gòu)及機構(gòu)的影響(1)完成了11組張弦梁結(jié)構(gòu)模型的張拉試驗,由于試驗模型系統(tǒng)考慮了撐桿數(shù)量、梁弦剛度比、矢跨比、臨時支架數(shù)量和施工順序等參數(shù)取值的差異,試驗結(jié)果能夠比較客觀地反應結(jié)構(gòu)的本質(zhì)。試驗結(jié)果與數(shù)值分析結(jié)果相互吻合,證明了試驗結(jié)果和計算結(jié)果是準確可信的。(2)張弦梁的張拉過程中,當張拉引起的變形較大時,結(jié)構(gòu)分析應考慮大變形的影響。(3)張弦梁結(jié)構(gòu)張拉過程的整體性能可以用臨界張拉力和張拉剛度兩類指標來反映。臨界張拉力Tcr是張弦梁結(jié)構(gòu)具備整體剛度(即成形)的標志,其值約為自重的0.125/κ倍。(4)張弦梁結(jié)構(gòu)張拉階段的剛性構(gòu)件內(nèi)力明顯不同于使用階段,在結(jié)構(gòu)設計中必須充分考慮張拉過程中構(gòu)件受