广州国际会展中心张弦桁架竖向刚度性能

　收稿日期:2002212223

　作者简介:孙文波(1969-),男,博士,高级工程师,主要从事大跨度钢结构的设计研究1文章编号:10002565X(2003)1120033204

广州国际会展中心张弦桁架竖向刚度性能

孙文波1　杨叔庸1　陈荣毅2

(1.华南理工大学建筑设计研究院,广东广州510640;

2.广州地区建设工程质量安全监督站,广东广州510030)

摘　要:介绍了张弦圆管桁架结构在广州国际会展中心工程中的应用,对圆钢管冷弯成型后钢材性能的变化进行了试验研究.通过对36组试件的拉伸试验结果进行的统计,得出了可直接应用于设计的考虑圆钢管钢材冷弯效应的拟合公式,并采用该拟合公式对张弦圆管桁架结构的竖向刚度性能进行了研究.计算和实测的结果具有良好的吻合程度,均表明了冷弯加工后圆钢管弦杆的刚度有了较大的衰退,从而导致了结构整体刚度的衰退.关键词:张弦桁架结构;刚度;冷弯钢管

中图分类号:TU393.3 文献标识码:A

张弦梁(桁架)结构由拱形梁(桁架)、弦及撑杆组合而成,为平面承力结构,它发挥了钢索抗拉强度高和拱形结构抗压性能良好的特点,受力合理,适用于很大跨度的结构[1].

广州国际会展中心位于广州市海珠区琶洲岛,博览区占地面积38×105m2,北临珠江,西连华南快速干线、南新港东路等交通主干道,是广州市21世纪的标志性建筑.上部结构由钢筋混凝土框架和钢结构屋盖两部分组成.主展览厅的竖向受力结构形式为张弦圆管桁架结构,如图1所示,跨度为126.6m,是目前国内跨度最大的张弦桁架,一端为固定支座,另一端为水平滑动支座,结构计算简图如图2所示.所有桁架杆件均采用圆钢管,节点均为空间相贯节点,钢材采用Q345B,其中圆管桁架的上下弦杆均为经过数控冷弯机组弯制成形的圆钢管[2].

1　冷弯钢管的概念性刚度试验简介

针对广州国际会展中心采用的曲线形圆钢管桁架结构,

由华南理工大学建筑设计研究院和同济大

图1　张弦桁架轴测示意图

Fig.1　Sp ace geomet ry diagram of t russ2st ring st

ructure

图2　张弦桁架计算简图

Fig.2　Calculating diagram of t russ2st ring st ructure

学建筑工程系联合完成了关于冷弯圆钢管的弹性模量的概念性刚度试验研究.试验材料为Q345B,钢管型号为Φ219m m×14m m,钢管冷弯的曲率半径分3组,分别为300m,200m和100m,如图3所示.同一种试验组合条件下的试件选取上部加工受拉区和下部加工受压区的各3组试样,如图4所示,共完成36组试样.

华南理工大学学报(自然科学版)

第31卷第11期J our nal of Sout h Chi na U nive rsit y of Tec h nology V ol.31　N o.11 2003年11月(Nat ural Scie nce Edition)N ovember　2003

图3　不同半径冷弯曲杆示意图

Fig.3　Schematic diagram of cold 2bended chords wit h

diff erent

radius

图4　取样部位示意图

Fig.4　Schematic diagram of sampling p osition

根据《金属拉伸试验试样(GB 6397—86)》和《金

属拉伸试验方法(GB 228—87)》的规定对试件进行的拉伸试验表明,试件在拉伸过程中弹性模量始终在不断地下降.在接近屈服强度时,其割线弹性模量平均值降至仅1.00×105～1.29×105N/m m 2,只有弹性模量初始平均值的50%左右.不同的取样部位对弹性模量的影响规律不甚明显.典型的应力-应变关系曲线如图5所示

.

图5　典型应力-应变关系拟合曲线

Fig.5　Typical fitting curve of st ress 2st rain

该应力-应变关系曲线可以拟合为二次多项式,并表达为

σ(ε)=-1

2?E 0?β?ε2

εy

+E 0?ε(1)对式(1)中的ε进行一次微分,可以得出弹性模量在拟弹性阶段的变化规律,表达为

E (ε

)=E 0?(1-ε

εy

)?β(2)

式中:E 0为试件的初始弹性模量,可取1.90×105

N/m m 2

;ε为试件拟弹性阶段的应变;εy 为试件屈

服点对应的应变值.对有试验资料的钢材可以按试

验值选取,对无试验资料的钢材可按规范取0.002;σ(ε)为试件对应于应变ε时的应力值;σy 为试件屈服点强度值;β为试件的弹性模量在拟弹性阶段的总降低系数,通过36组试样的统计可取为0.30.

2　考虑冷弯效应的圆钢管刚度分析

根据材料力学的基本原理,一般的计算原则可表达为如下3点:(1)材料为理想的弹性体;(2)平截面假定;(3)小变形假定.

假定圆钢管横截面内的轴向弹性模量按一定的规律分布且固定不变,圆钢管横截面半径为r ,壁厚为t ,中性轴处的初始弹性模量为E ,边缘处的初始弹性模量为αE ,如图6所示

.

图6　环形截面弹性模量E 分布图

Fig.6　Dist ribution diagram of E on annular section

当正截面受弯时,即构件受纯弯矩M z 的作用,

根据平截面假定,截面的应变分布情况如图7所示,

那么,相应的应力分布为σ(y )=E (y )?

ε(y ).考虑到圆钢管截面的特性,将E (y ),ε(y )表示成与θ有关的极坐标形式,即为

ε(θ)=ε0?y

r

=ε0?

si n θ(3)

　E (θ)=(α-1)y +r r

?E =[(α-1)si n θ+1]?E

(4)

则

σ(θ)=[(α-1)si n θ+1]?E ?ε0si n θ=

E ?ε0?

[(α-1)si n 2θ+si n θ](5)

则

M =2?∫

π

σ(θ)?r ?d θ?t ?y =

E ?ε0?r 2

?t ?[83

(α-1)+π](6)

34　华南理工大学学报(自然科学版)第31卷　

当正截面受轴心力N 的作用,根据平截面假定,截面的应变分布情况如图8所示,那么

σ(θ)=E (θ)?ε0=[(α-1)si n θ+1]?E ?ε0(7)则

N =2?∫

π

σ(θ)?r ?d θ?t =

2?E ?ε0?

r ?t ?[2(α-1)+π](8

)

图7　受弯时的应变分布示意图

Fig.7　Diagram of st rain dist ribution wit h

moment

图8　受轴力时的应变分布示意图

Fig.8　Diagram of st rain dist ribution wit h axial f orce

考虑到薄壁钢管的横截面仍有半径r 和壁厚t

两个参数,所以可以利用联立方程求出等效的薄壁钢管横截面参数r ′和t ′,而该等效截面的弹性模量仍为均匀的E 值.具体过程如下:

r 2?t ?[83(α-1)+π]=r ′2

?t ′?

π2?r ?t ?[2(α-1)+π]=2?r ′?t ′?

π(9)

可得:

r ′=r ?

8

3

(α-1)+π2(α-1)+π

t ′=t ?

[2(α-1)+π]

2

[8

3

(α-1)+π]?

π(10)求出r ′和t ′之后即可导入已有的通用程序进行结构的整体分析.

3　工程应用

考虑到实际工程的情况,本文对张弦圆管桁架

的张拉阶段进行了有限元分析.试验结果和式(1)、(2)所表达的均为加工拉压边缘钢材弹性模量的变化情况,圆钢管截面中性轴处由于未经伸长或压缩,其弹性模量从理论上讲仍应维持标准的钢材弹性模量不变.由于二者之间部分的加工变形是渐变的,故前文所述的弹性模量直线分布型假定在相当程度上被认为是可行的.同样地,弹性模量的变化随着受力的变化表现出一定的非线性,整个张弦圆管桁架的张拉过程亦表现出了相当程度的非线性特征.本文的计算采用S TRA N D 7.0通用有限元分程序,计算中不考虑结构非线性的因素,材料非线性因素对α

的影响采用人工迭代的方法计算.计算表明,经过

2～3次的迭代,α值误差很快就能收敛到3%以内,可满足工程要求.表1为某一榀桁架预应力张拉实测结果与计算结果对照表.

表1　单榀桁架预应力张拉实测结果与计算结果对照表

Table 1　Comp arison of monit oring tensile results wit h cal 2

culating results of simple t russ

数据来源

高端

张拉力/kN

低端

张拉力/kN

观测点1起拱位移/mm

观测点2起拱位移/mm

观测点3起拱位移/mm

桁架水平

缩短量

/mm

实测值16671680213272221115均匀弹性

模量计算值1697

168012114410962实测弹性

模量计算值

1697

1680

208

257

195

97

由表中可知,文中所述的计算方法与实测结果具有良好的吻合程度.对广州国际会展中心张弦桁架结构张拉过程进行的分析表明,与理想状态下具有均匀的标准弹性模量计算结果相比,计算和实测的结果均表明冷弯加工后的弦杆刚度有了较大的衰退,从而导致了结构整体刚度的衰退.而大跨度钢结构的设计有可能是由结构的刚度所控制的,因而在其它类似工程的设计和施工过程中必须对此类现象加以注意.参考文献:

[1]　刘锡良,白正仙.张弦梁结构受力性能的分析[J ].钢

结构,1998,13(4):4-8.

[2]　孙文波.广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨

[J ].建筑结构,2002,32(2):54-561

　第11期孙文波等:广州国际会展中心张弦桁架竖向刚度性能35

　

Stiff ness Perfor ma nce of Truss 2St ring St ruct ure of Gua ngzhou

International Convention a nd Exhibition Center

Su n Wen 2bo 1

　Ya ng Sh u 2yong 1

　Chen Rong 2yi

2

(1.A rchitecture Design and Research Institute ,Sout h China U niv.of Tech.,Guangzhou 510640,China ;

2.Const ruction Engineering Quality and Saf et y Sup ervision Station of Guangzhou ,Guangzhou 510030,China )

Abst ract :The application of pip e 2t russ st ri ng st ruct ure i n Gua n gz hou i nte r national cove ntion a nd exhibi 2tion ce nte r was i nt roduce d ,a nd t he c ha n ge of mec ha nical p rop e rties of cold or heat 2be nt steel pip es was st udie d.A se ries of exp e ri me nts f or be nt steel pip es a nd t heir mec ha nical p rop e rties we re conducte d.Through t he testi n g results of 36sets of sp eci me ns ,a f itti n g f or mula was p rese nte d ,by w hic h was applie d t o i nvestigate t he ve rtical stiff ness of t his ki nd of st ruct ure.The calculate d value of t he su ggeste d met hod is i n a gree me nt wit h t he results of exp e ri me nts ,w hic h i ndicates t he stiff ness de gra dation of cold 2be nt steel pip es.As a result ,t he ove rall stiff ness of t his ki nd of st ruct ure is also de gra de d.Key words :t russ 2st ri ng st ruct ure ;stiff ness ;cold 2be nt pip e

　(上接第32页)

[7]　L aemmli U K.Cleavage of st ructural p roteins during

t he assembly of t he head of bacteriop hage T 4[J ].Na 2

ture ,1970,227:680-685.

Effects of Ult rasonification on Protein Ext raction of Def atted

Soy Fla kes a nd Functionality of S PI

Ya ng Xiao 2qua n Xiong J ia n Chen Zhong Zh u J ia n 2h ua

(College of Food &Bioengineering ,Sout h China U niv.of Tech.,Guangzhou 510640,China )

Abst ract :The ult rasonic ext raction of so y p rotei n f rom def atte d so y f la kes a nd t he eff ects of ult rasonic t reat me nt on t he f unctionalit y of soy p rotei n isolates (S PI )we re st udie d.The results s how t hat t he ult ra 2sonic t reat me nt could obviousl y i ncrease t he ext raction of p rotei n f rom diff e re nt de nat ure d def atte d so y f la kes.The p rotei n ext raction of def atte d so y f la kes a nd w hite f la kes wit h ult rasonic t reat me nt at 300 W a nd 12 k Hz f or 8 mi n we re 73.43%a nd 90.28%resp ectively ,but onl y 49.58%a nd 66.54%wit h conve ntional stirri n g ext raction at 45℃f or 1h.SDS 2PA G E a nd GPC a nal yses s how t hat ult rasonic t reat me nt mai nl y aff ects t he 7S comp one nts of soy p rotei n.The ult rasonic t reat me nt ca n also i m p rove t he f unctionalit y of soy p rotei n isolates (S PI )obviousl y.The e mulsif yi ng p rop e rt y of S PI i ncrease d w hile t he viscosit y decrease d wit h ult rasonic t reat me nt.

Key words :ult rasonif ication ;so y p rotei n ;ext raction ;f unctionalit y

36　华南理工大学学报(自然科学版)第31卷