双层索网与张弦梁结构对竖向刚度及索力敏感程度差异化分析

大跨度柔性及半刚性结构由于索单元的引入,显著提高了结构的受力性能,使得更多满足建筑创新要求的结构得以实现.近年来上述两种结构被广泛应用于大型体育场馆,国内外学者对其进行了大量理论研究,且研究成果已较好地用于实际工程中.因柔性和半刚性结构对索单元依赖程度的差异,两种结构在竖向刚度及索力敏感程度方面产生了较大差异,该差异对实际的设计及施工产生了巨大影响.为探究上述问题,通过通用有限元软件ANSYS建立相同尺寸的大跨度轮辐式双层索网和辐射式张弦梁结构,以竖向刚度和索力敏感程度为目标设立相应的对比参数,包括等效竖向刚度系数G、索力敏感程度值TS1和索力敏感程度相对值TS2,对多组不同跨度的两种结构进行对比分析,以指导相似工程的设计工作.结果表明:在外荷载不断增大的过程中,索网结构的竖向刚度存在突变和缓慢增强的现象,通过对环向索(构造索)的内力进行跟踪记录后发现,在刚度突变点,环向索内力逐渐由正值降为零(发生松弛),说明环向索的松弛现象导致结构竖向刚度发生突变;通过相关数据分析可知,相比于荷载施加初期的刚度,索网结构荷载施加末期的刚度增加约3.2％,因增加量较小,实际分析中可忽略不计.张弦梁结构的竖向刚度基本保持不变且不存在刚度突变现象.当跨度较小时,索网和张弦梁的等效竖向刚度系数G较为接近,随着跨度的增大,两种结构均出现等效竖向刚度系数G下降的现象,但索网结构下降速率远快于张弦梁结构.相同平面布置情况下,索网结构的索力敏感程度值TS1、索力敏感程度相对值TS2均大于张弦梁结构,表明索网结构对索力的敏感程度较小,而张弦梁结构由于上部刚性杆件的存在,整体刚度在较小索力的情况下已经形成,使得该结构对索力敏感程度加强.在增大预应力或减小跨度的过程中,索网和张弦梁结构均出现对索力敏感程度减弱的现象.对索网与张弦梁结构的索力敏感程度值TS1进行比较后发现,两种结构的TS1比值稳定在2.43～2.55之间,该结果可为相似工程提供参考.