¿Discutir la estructura de la viga Zhang Xian?
0 Introducción
La estructura de vigas tensadas fue propuesta por primera vez por el profesor M. Saitoh de la Universidad de Nihon. Es un nuevo sistema de techo híbrido que es diferente de la estructura tradicional. La estructura de vigas en tensión es un sistema estructural híbrido compuesto por cordones superiores rígidos, cables flexibles y tirantes intermedios. Su composición estructural es un nuevo tipo de sistema autoequilibrado, un sistema estructural espacial pretensado de gran luz, que es una creación exitosa en el desarrollo de sistemas estructurales híbridos. El sistema estructural de vigas de tensión es simple, las fuerzas son claras y las formas estructurales son diversas. Aprovecha al máximo las ventajas de los materiales rígidos y flexibles. Es simple y conveniente de fabricar, transportar y construir, y tiene buenas perspectivas de aplicación. .
Basado en la clasificación de estructuras de vigas de cordón, el mecanismo de tensión y el análisis de búsqueda de forma de estructuras de vigas de cordón, la influencia del número de arriostramientos, la relación de luz vertical, la relación altura-luz, el momento del arco de Se resume la inercia y el pretensado de vigas de cuerda sobre las propiedades mecánicas de las estructuras de vigas de cuerda. La influencia de la estructura se analizó mediante análisis de elementos finitos.
1. Mecanismo mecánico y clasificación de la estructura de viga de cuerda
1.1. Mecanismo mecánico de la estructura de viga de cuerda
En general, se cree que el mecanismo mecánico de la viga de cuerda La estructura es la flexión de la cuerda superior. El componente genera deflexión inversa al aplicar pretensado en el cordón inferior, y la deflexión final de la estructura bajo carga se reduce, mientras que la riostra proporciona soporte elástico para el componente de flexión del cordón superior, mejorando las propiedades mecánicas de la estructura. . Generalmente, se utilizan vigas de arco o arcos de armadura como miembros de flexión del cordón superior. El empuje horizontal del arco bajo carga lo soporta el miembro de tensión del cordón inferior, reduciendo así la carga del arco sobre el soporte y la horizontal. Desplazamiento del soporte deslizante. Se puede ver que la estructura de vigas de cuerda tensora puede aprovechar al máximo el fuerte rendimiento de tracción de los cables de alta resistencia, mejorar las propiedades mecánicas de toda la estructura y permitir que los miembros de flexión y los miembros de tensión aprendan unos de otros y trabajen juntos. para lograr el autoequilibrio y dar pleno juego al papel de cada material estructural.
Por lo tanto, la estructura de viga tensada no solo da pleno juego a las propiedades de tracción de los cables, sino que también mejora en gran medida la rigidez y estabilidad del sistema porque las cerchas o arcos tienen resistencia a la compresión y a la flexión. Dado que la estructura de vigas de cuerda es un sistema de autoequilibrio, la tensión sobre la estructura de soporte se reduce considerablemente. Si el pretensado y la carga gradual se aplican correctamente durante la construcción, será posible minimizar las fuerzas ejercidas por la estructura de vigas sobre la estructura de soporte.
1.2.Clasificación de las estructuras de vigas de cordones
Según las características tensionales, las estructuras de vigas de cordones se pueden dividir en estructuras de vigas de cordones planas y estructuras de vigas de cordones espaciales.
La estructura de viga de cuerda plana se refiere a una estructura de viga de cuerda en la que los miembros estructurales están en el mismo plano y la tensión en el plano es la tensión principal. La estructura de viga de cuerda plana se puede dividir en tres formas básicas según la forma de la cuerda superior: estructura de viga de cuerda recta, estructura de viga de cuerda arqueada y estructura de viga de cuerda en espiga.
La estructura de viga de cuerda recta se utiliza principalmente para estructuras de piso y estructuras de techo inclinadas. La estructura de viga de cuerda de arco utiliza completamente las ventajas de tensión del arco de cuerda superior y es adecuada para estructuras de techo de gran luz. La estructura de vigas de cuerda en espiga es adecuada para luces pequeñas.
La estructura de vigas de cuerdas espaciales es una estructura de vigas de cuerdas formada utilizando la estructura de vigas de cuerdas planas como unidad básica y mediante diferentes formas de disposición espacial. La estructura de vigas de cuerdas espaciales incluye principalmente una estructura de vigas de cuerdas unidireccionales, una estructura de vigas de cuerdas bidireccionales, una estructura de vigas de cuerdas multidireccionales y una estructura de vigas de cuerdas radiales.
La estructura de viga tensada unidireccional garantiza la estabilidad fuera del plano debido al sistema de tensión espacial formado por los cables de soporte longitudinales, y es adecuada para estructuras de techo planas rectangulares. La estructura de vigas de cuerdas bidireccionales forma un sistema de tensión espacial vertical y horizontal porque las vigas de cuerdas planas que se cruzan se proporcionan soporte elástico entre sí. Esta estructura es adecuada para diversas estructuras de techos planos, como rectangulares, circulares y ovaladas. La estructura de vigas de cuerdas multidireccionales es un sistema de soporte de fuerza espacial compuesto por estructuras de vigas de cuerdas planas dispuestas transversalmente en múltiples direcciones. Es adecuada para estructuras de techo planas circulares y poligonales. La estructura de vigas de cuerda radial es un sistema de tensión espacial formado colocando la viga de cuerda superior radialmente en el centro, colocando tirantes debajo de las vigas y conectándolas con cables de anillo. Es adecuada para estructuras de techo con planos circulares o elípticos.
2. Análisis de búsqueda de forma de la estructura de vigas traccionadas.
2.1 Definición de la forma de la estructura de viga de cuerda
La estructura de viga de cuerda es lo mismo que una estructura de suspensión y otras estructuras flexibles, según las características de procesamiento, construcción y tensión de la estructura de vigas de cuerda. Por lo general, su forma estructural también se define como estado cero, estado inicial y estado de carga.
El estado cero es el estado antes de que se tense el cable. En realidad, es la forma de procesamiento y replanteo del componente, y generalmente también se le llama estado de replanteo de la estructura.
El estado inicial es el estado en el que se instala la estructura en su lugar después de tensar los cables. También se suele denominar estado pretensado. El estado inicial es la forma estructural clara en los planos de construcción. (Incluso bajo la acción del peso propio)
El estado de carga es el estado de equilibrio grande después de que las cargas externas actúan sobre la estructura inicial y se produce la deformación.
Si la barra de cuerda superior de la estructura de vigas tensoras se procesa y dispone de acuerdo con los parámetros geométricos dados por la forma inicial, cuando se utiliza el cable tensor, la tensión del cable inevitablemente provocará que la riostra para deformar la barra de la cuerda superior hacia arriba Cuando se completa la tensión, la forma de la cuerda superior de la estructura se desviará de la forma inicial, por lo que no cumplirá con los requisitos del diseño arquitectónico. Por lo tanto, el procesamiento y colocación del cordón superior de la estructura de viga de cordón generalmente necesita considerar el efecto de deformación causado por la tensión, que es también la razón por la cual es necesario definir la estructura de viga de cordón.
2.2 Análisis de búsqueda de forma de la estructura de vigas de cuerda
Los métodos actuales de búsqueda de forma en la literatura relevante no son más que el método de iteración inversa propuesto por Zhang Qilin y el método inverso mejorado. método de iteración en la literatura.
1. Introducción al método de iteración inversa
El método de iteración inversa es en realidad una idea muy natural: dado que las dimensiones geométricas de las vigas de cuerda en el plano de diseño están en el estado inicial (la estructura después de que se completa el estado de tensión pretensado), por lo que este tamaño de estado inicial se puede usar como el tamaño de estado cero aproximado para establecer un modelo de elementos finitos, y luego se le aplica pretensado (el valor de pretensado depende del diseño requisitos) para obtener el estado inicial. Luego, la diferencia entre las dimensiones geométricas del estado inicial aproximado en los dibujos de diseño y las dimensiones geométricas del estado inicial real se suma inversamente a las coordenadas de los nodos del modelo de elementos finitos original, el estado inicial aproximado se remodela y luego se estira nuevamente. , y así sucesivamente, hasta que Si la diferencia de coordenadas entre el estado inicial aproximado y el estado inicial es lo suficientemente pequeña, el estado inicial aproximado puede considerarse como el estado inicial, y el estado cero aproximado resultante es el estado cero requerido. De esta manera, no solo se pueden obtener las dimensiones geométricas del estado cero (el personal de construcción parte de esto), sino que también se pueden obtener la fuerza interna y la distribución de tensiones del estado inicial, completando así el trabajo de búsqueda de forma. La práctica ha demostrado que se puede lograr una precisión suficiente en los cálculos de búsqueda de forma con sólo unas pocas iteraciones.
Dos. Método de iteración inversa mejorado
El método de iteración inversa anterior consiste en desconectar el segmento de cable en el extremo, liberar las restricciones horizontales de las cuerdas superior e inferior de la armadura del techo y utilizar el componente horizontal de la fuerza de pretensión. de los segmentos de cable como una fuerza externa para actuar sobre los cordones superiores e inferiores de la armadura del techo en la dirección opuesta y luego realizar el cálculo iterativo inverso paso a paso. Aunque este método puede calcular los parámetros geométricos del estado cero y la distribución del pretensado inicial, es difícil continuar el análisis del estado de carga sobre esta base. Dado que la estructura después de cortar el cable se ha transformado en una estructura estática, el análisis de carga en esta estructura estática obviamente no puede reflejar las características mecánicas de la estructura original, especialmente en este momento, la fuerza interna del cordón inferior ya no cambiará con el cambio de la carga. Ha perdido su función original.
El método de iteración inversa mejorado no se logra tensando a la fuerza el segmento de cable, sino aplicando una cierta tensión inicial al segmento de cable de modo que la fuerza interna después de coordinar la deformación del segmento de cable sea igual a un valor predeterminado. Con este cambio, es posible continuar analizando el problema de investigación bajo cargas externas. Esto compensa las deficiencias de estudios previos que no consideraron las propiedades mecánicas de las estructuras de vigas pretensadas.
El proceso de iteración específico es el siguiente:
Suponga que las coordenadas del estado inicial de la estructura dada en la figura se expresan como {XYZ} y las coordenadas geométricas de estado cero obtenidas después de la k-ésima iteración son {XYZ}, las coordenadas del estado inicial son {XYZ} y el desplazamiento es {U}.
(1) Primero suponga que la geometría actual es geometría de estado cero, es decir, suponga {XYZ} = {XYZ}.
(2) Sumar la deformación inicial (estimada) a algunos segmentos de cable y calcular el desplazamiento {U} de la estructura con la forma geométrica {XYZ}, k = 1.
(3) Calcula {XYZ} = {XYZ} {u} de manera que △ = {XYZ} a {XYZ}.
(4) Determine si △ cumple con la precisión dada. En caso afirmativo, {XYZ} es la coordenada geométrica de estado cero; en caso contrario, sea {XYZ} = {XYZ}△, y vaya al segundo paso, sea k = K1.
(5) Después de obtener los parámetros geométricos del estado cero en los pasos anteriores, se proporciona el valor de deformación inicial de la sección del cable y el estado obtenido después del equilibrio es la distribución de pretensado inicial. En este momento, se debe verificar si el valor de la fuerza interna del segmento de cable es el valor predeterminado. De lo contrario, el valor de deformación inicial se debe ajustar y recalcular desde el paso (2).
3. Análisis de los factores que afectan al comportamiento estructural de vigas monocordones.
3.1 Estado de la investigación sobre los factores que afectan el comportamiento estructural de vigas de cuerda simple
La literatura [4] analizó la influencia del número de arriostramientos, la relación de luz vertical, la relación de luz en altura y la sección de la viga. características y pretensado de la cuerda en La influencia del comportamiento estático de la estructura de viga traccionada monovarilla lleva a las siguientes conclusiones:
(1) Número de arriostramientos: La estructura de viga traccionada que conecta el arco y la cuerda a través de los tirantes está razonablemente estresado. Sin embargo, aumentar el número de puntales no puede mejorar las propiedades mecánicas de la estructura. La literatura [4] toma como ejemplo una estructura de vigas de una sola camilla con una luz de 22,4 m. Se cree que cuando el número de tirantes excede 3, el efecto de mejora de las propiedades mecánicas ya no es obvio, por lo que el número de tirantes es mayor. beneficioso para 3.
(2) La influencia de la relación de luz vertical o la relación de luz en altura: La relación de luz vertical es la relación entre el pandeo de la cuerda inferior y la luz estructural/L), y la relación de luz en altura es la relación de la viga del cordón superior se eleva hasta el vano estructural. A medida que aumenta la relación de luz vertical o la relación de luz de altura, el momento flector de la viga, la fuerza axial, la tensión máxima del cable y otras fuerzas internas disminuyen, y la deformación de la estructura también disminuye, pero la amplitud de deformación por debajo de la mitad. -la carga del tramo es menor que la del tramo completo. La amplitud de deformación bajo carga. Por lo tanto, cuando la relación de luz vertical alcanza un cierto valor, la carga desfavorable de la respuesta de desplazamiento cambia de la carga de luz completa a la carga de media luz.
(3) Influencia del momento de inercia de la viga del cordón superior: A medida que aumenta el momento de inercia de la viga del cordón superior, la deformación bajo la carga de luz completa casi no cambia, pero la deformación bajo la carga de medio vano se reduce significativamente, y la deformación bajo la carga de todo el vano se reduce significativamente. La tensión normal máxima bajo carga y la tensión normal de la viga bajo carga de medio vano también disminuyen, aumentando así el momento de inercia. la viga es beneficiosa para mejorar la rigidez y las propiedades mecánicas estructurales bajo carga de media luz.
(4) La influencia del área de la sección transversal de la viga: a medida que aumenta el área de la sección transversal de la viga, excepto por la reducción de la tensión normal de la viga, otras fuerzas internas y deformaciones permanecen casi sin cambios, por lo que aumentar el área de la sección transversal de la viga tiene un impacto significativo en la mecánica. No hay una mejora notable en el rendimiento.
(5) La influencia del pretensado del cable inferior: a medida que aumenta el pretensado del cable inferior, la deformación disminuye significativamente y la tensión normal del arco tiene una tendencia decreciente, pero no es obvio, por lo que el Menor pretensado del cable El estrés ayuda principalmente a reducir la deformación.
(6) La influencia del área del cable inferior: A medida que aumenta el área del cable inferior, la deformación y la fuerza interna del cable disminuyen significativamente, y la tensión normal del La viga tiende a disminuir, pero la amplitud no es grande, por lo que simplemente aumentar el área de la cuerda aumenta la rigidez pero no aprovecha al máximo la resistencia del material de la cuerda.
(7) Influencia del tipo de sección de la viga: la sección de viga en forma de I es más económica y razonable desde un punto de vista mecánico que la sección de tubería de acero.
(8) Bajo las condiciones permitidas por el edificio, el tamaño de la estructura de vigas de cuerda debe ser lo más grande posible; el valor de la relación altura-luz debe considerar la influencia del exterior; carga de viento fuera del plano; seleccione el tamaño de la viga y el área de la cuerda apropiados para que la tensión normal máxima de la viga y la tensión máxima de la cuerda alcancen el estado límite del material simultáneamente, y se aplique una cierta pretensión a la cuerda para mejorar la rigidez. .
Basado en el análisis de los parámetros estructurales de una viga de una sola cuerda, la literatura [5] cree que la mayor parte del contenido en la literatura [16] refleja con precisión el rendimiento estático de una estructura de viga de una sola cuerda, pero el Las tendencias reflejadas en algunos datos no son razonables y presentan algunas interpretaciones y conclusiones nuevas.
(1) La influencia de la relación de luz vertical o la relación de luz en altura: la literatura [5] cree que a medida que aumenta la relación de luz vertical o la relación de luz en altura, el momento flector de la sección de la viga no disminuye sino que aumenta significativamente. grande, por lo que la relación de luz vertical y la relación de luz de altura no deben aumentar infinitamente.
(2) La influencia del pretensado de la cuerda: la literatura [4] cree que a medida que aumenta el pretensado de la cuerda inferior, la deformación disminuye significativamente, mientras que el análisis de cálculo de la literatura [5] muestra que el pretensado El impacto de el aumento de la deformación estructural es casi insignificante, o incluso leve, en términos del impacto del pretensado sobre las fuerzas internas de la estructura de viga traccionada, la literatura [5] cree que el aumento del pretensado conducirá a un aumento correspondiente en todas ellas; Elementos de fuerza interna de la estructura, especialmente para la fuerza interna principal, momento flector de la viga de cuerda superior.
3.2 Nueva comprensión del análisis de influencia de varios factores de la estructura de vigas de un solo cordón
Basado en el análisis de la literatura anterior, creo que existen los siguientes factores que influyen: relación de luz vertical + altura relación de luz, arriostramiento Disposición de postes (como disposición diagonal y disposición diagonal vertical), análisis de contacto entre puntales y cables.
Por cuestiones de tiempo aún no he hecho ningún análisis.
4. Conclusión y perspectivas
Este artículo explica el mecanismo de tensión y la clasificación de las estructuras de vigas tensadas, e introduce el método de búsqueda de forma en la construcción. También presenta los factores que influyen en la estructura de vigas tensadas en la literatura actual y algunos factores que creo que deberían considerarse.
En la investigación actual, también debemos considerar algunas cuestiones:
(1), el modelo numérico de la unidad de cable. El estado del cable atirantado bajo niveles de tensión bajos no se puede describir con precisión utilizando elementos de varilla, por lo que vale la pena explorar la selección de elementos de cable apropiados para el análisis numérico.
(2) Es necesario estudiar en profundidad la velocidad de convergencia de elementos finitos no lineales. En los cálculos estructurales, los cálculos de elementos finitos no lineales a menudo encuentran el problema de la no convergencia.
(3) Es necesario estudiar con urgencia la vibración del viento, las características de vibración estructural y el control de la vibración de las estructuras de vigas tensadas de luces largas, incluida la simulación del campo y la velocidad del viento, la vibración aleatoria y los problemas de acoplamiento.
(4) Este artículo analiza principalmente la estructura de vigas de cuerda de un solo plano. Además, las propiedades mecánicas de las estructuras de vigas de cuerda tensadas en el espacio, como las estructuras de vigas de tensión multidireccionales espaciales bidireccionales y las estructuras de vigas de tensión radiales, requieren más análisis e investigación.
(5) El análisis actual se basa en un análisis geométrico no lineal bajo materiales elásticos lineales, y el análisis elástico-plástico bajo grandes cargas, como terremotos fuertes, necesita más investigación.
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