新广州站三向张弦梁结构优化设计摘要:基于运用APDL语言对新广州站工程三向张弦梁结构建立的参数化模型,利用一阶优化方法,对初始结构进行全构件截面和形状参数的综合优化。并在矢高和垂度确定的情况下,分别采用分级优化和综合优化分析了构件截面的合理取值。分析结果表明:矢高和垂度是三向张弦梁结构设计中极为重要的设计参数,新广州站三向张弦梁结构的最佳矢高为9.189m,其垂跨比应不小于0.034,下弦垂度和上弦矢高的经济比值为0.22~0.23。上弦拱构件在结构中占的比重较大,可以通过减小拱截面的壁厚来降低结构的用钢量。并通过综合优化得到新广州站三向张弦梁的最佳梁弦刚度比为1.23×10-4。关键词:张弦梁;优化设计;矢高;垂度;刚度比:TU394文献标识码:AOptimizationDesignofTri-directionalBeamStringStructureofNewGuangzhouRailwayStationAbstract:TheAPDLlanguagewasusedtoobtaintheparametermodeloftri-directionalbeamstringstructure(TBSS)ofnewGuangzhouRailwayStation.Thendesignoptimizationwasconductedfortheeffectivecross-sectionsandgeometryparametersofTBSSwiththefirst-ordermethod.Andwhentheriseandsagwerefixed,theproperstructuralcross-sectionwasalsodiscussedwithgradedandintegratedoptimizationmethodrespectively.TheresultsshowthattheriseandsagareveryimportantdesignparametersofTBSS.TheoptimumriseofupperarchofTBSSfornewGuangzhouRailwayStationis9.189m;thesagtospanratioofcableisnotlessthan0.034;theeconomicalrisetosagratioisabout0.22~0.23.Itcanalsobefoundthattheweightratioofupperarchelementstothewholestructureislarge,sotheamountofsteelcanbereducedbydecreasingthethicknessofupperarches.AndtheoptimumrigidityratioofbeamtocableofTBSSofnewGuangzhouRailwayStationis1.23×10-4byintegratedoptimization.keywords:beamstringstructure;optimizationdesign;rise;sag;rigidityratio张弦梁结构是近二十年来快速发展和广泛应用的新型大跨空间结构。日本M.Saitoh教授于20世纪80年代提出了张弦梁结构的概念,从建筑设计和结构性能两个方面解释了应用该结构的原因:从建筑设计角度看,对于不同的空间形式和尺寸,索拱结构的拱和弦有很大的选择余地;从结构角度看,通过在弦上施加预应力,可以有效地改善结构的受力性能和刚度[1]。上世纪末,我国兴起了建造大跨度空间结构的热潮。张弦梁结构造型新颖,受力明确,外观造型设计的自由度大,受到了建筑师的青睐,在很多工程中得到了应用,例如:上海浦东机场航站楼[2],广州国际会展中心[3],哈尔滨国际会展体育中心[4]。在工程应用的同时,国内学者对张弦梁结构的形态、预应力作用机理和优化、静动力性能、稳定性能进行了相关理论分析和试验研究。同济大学对浦东机场的R2钢屋架进行了足尺试件的张拉和加载试验及三向地震台振动试验研究[2,5]。董石麟等对平面张弦梁结构的形态分析进行了研究,提出了以初应变为媒介的改进逆迭代法[6]。赵宪波等也对张弦梁的找形问题进行了深入研究,根据该类结构的受力特点,提出了分级卸载法[7]。陈志华等采用频域分析法对一工程实例平面张弦梁结构进行了风致响应分析[8]。陈以一等基于正交试验设计思想,设计了11组考虑梁弦刚度比、矢跨比、撑杆数量、临时支架和施工顺序等参数影响的张弦梁模型并进行张拉试验[9]。薛伟辰等基于ANSYS优化后的张弦梁为原型,通过缩尺模型试验和非线性有限元分析,对原型结构的预应力张弦梁在张拉阶段、正常使用阶段以及承载力极限阶段的全过程受力性能进行了研究[10]。现阶段的研究和工程实践大多针对单向张弦梁结构体系,只有很少的工程采用了双向张弦梁结构体系[11,12]。还有部分学者将张弦梁的思想引入到单层网壳中形成张弦网壳结构[13-15]。但总的来说,目前国内外对于空间张弦梁的研究还属于起步阶段,很多问题没有达成共识。鉴于此,本文对新广州站三向张弦梁结构设计中的所关心的几个重要问题进行了探讨。本文所研究的三向张弦梁结构属于新的空间张弦梁结构形式。与单向张弦梁结构不同,三向张弦梁结构的空间作用较为明显。此结构形式的应用...