张拉弦钢拱架结构是一种新型的预应力钢结构体系 ,在 20世纪 90年代初 ,由悉尼大学的科研人员 提出。它由两侧的刚臂区域和中间的活动桁架区域三部分组成。在刚臂区域 ,上弦、下弦和腹杆均采用 钢结构构件 ,所有构件都采用刚性连接 ,下弦是一根 连续的构件 ,因此刚臂部分在张拉成形过程中的运 动与刚体相似 ;在活动桁架区域 ,上弦和腹杆仍采用 钢结构构件制作 ,而下弦钢构件则设有间隔 ,将后张 预应力索穿过整个下弦。在张拉成形过程中 ,结构 共设置两处支座 ,一侧为固定铰支座 ,另一侧为滑动 铰支座。施工时 ,通过对下弦预应力钢索的张拉使 下弦逐渐缩短 ,间隔依次闭合 ,直到活动桁架部分的 下弦形成一个连续的构件。在此过程中上弦逐渐弯 曲 ,桁架柱由倾斜变为垂直状态 ,最后形成一个钢拱 架结构体系。
张拉弦钢拱架结构整体成形过程如图 1所示。 在张拉成形的过程中 ,张拉弦钢拱架结构的上弦梁 将产生很大的变形。例如一个成形后跨度 100m左 右的结构 ,滑动支座处的水平位移和顶点最大竖向 位移可达 10m以上 ,是典型的几何大变形问题。由 于很大的弯曲变形 ,上弦梁通常要进入塑性工作阶 段。因此结构成形过程属于几何和材料双非线性问 题。结构到位后 ,将滑动铰支座处固定 ,结构即可承 受荷载。
该结构优势在于 :构造简单 ,受力明确 ;节约钢 材 ;张拉成形后的拱架体系基本无水平推力 ;施工建 设速度快 ,节约施工成本 ;由于部分屋面体系可在张拉前安装 ,减少高空作业 ,增加施工安全性。
针对该类结构体系 ,国外学者已经做了大量理 论研究及试验工作。国内虽然于 1995年和 2001年 分别建成两座张拉弦钢拱架结构 ,但从设计到施工 主要都是由国外企业完成。为了真正掌握该项新技 术 ,我们对张拉弦钢拱架结构进行了全过程计算分析方法的研究与试验研究 ,并编制了专用的计算机 程序。本文将对其计算分析方法及其专用程序开发 进行介绍。