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摘要：本課题结合管桁架结构和张弦梁结构的力学和构造特点，通过在管桁架的下弦加竖直撑杆，同时配置拉索并施加预应力，此即为新型张弦桁架结构。它可以看作是张弦梁加竖直撑杆时的一种特殊结构形式。张弦桁架结构不仅具有管桁架的优点，同时又克服张弦梁的许多不足。
关键词：新型张弦桁架结构；普通桁架；预应力；动力；
1、前言
在钢结构中采用加预应力的方法，在十九世纪末就已出现.1887年，俄国专家茹霍夫设计的莫斯科百货商场的拱形屋盖结构，就是最早的预应力结构之一，美国、前苏联、德国都有许多建筑采用了预应力钢结构形式。预应力钢桁架结构，早在上世纪70年代就有学者提出，并在矿山、皮带运输机的型钢桁架结构中运用， 预应力钢网格结构在上世纪90年代中期开始研究与应用，如上海影业公司的平板型组合网架，广东清远市、高安市新兴、连州市阳山县、广西桂平市的体育馆屋盖结构都分别采用预应力组合扭网壳结构和预应力双曲扁网壳结构，还有已经通过国内知名专家组论证，并且应用于成都国际会议展览中心的大跨度下弦管内预应力空间管桁架结构等等，这些均取得较好的经济效益。
2、模型简介
2.1新型张弦桁架模型
模型是在原成都国际会议展览中心空间预应力钢桁架模型（缩尺1/9）的基础上改进得到新型空间预应力张弦桁架，桁架的几何尺寸如图1所示，跨度11.6m。模型计算相当于柱距6m，恒载0.5KN/m2，活载0.5KN/m2的实物试验。桁架支座采用橡胶支座，钢管的弹性模量：E=2.05x105N/mm2 ，钢管的强度设计值：f=215N/mm2， 钢绞线的弹性模量E=1.95x105N/mm2 ，钢绞线的强度标准值：fk=1860N/mm2 ，钢绞线的强度设计值：fp=1320N/mm2 。
新型张弦桁架的上弦及腹杆采用Φ48×3 Q235钢管，下弦及撑竿采用Φ76×3.5 Q235钢管，下弦布置一根7Φ5钢绞线，支座设计为一端固定，另一端作为张拉端，在水平方向可自由滑动。张拉预应力为120 kN。
新型张弦桁架结构的尺寸及测点布置如图1所示。
2.2普通桁架模型简介
普通桁架结构即等效为与张弦桁架结构等高的普通桁架结构，尺寸及测点布置如图2：
3、张弦桁架结构与普通桁架结构的模态分析
用ANSYS软件对两种桁架结构进行模态分析，计算桁架结构的固有频率和振型。模态分析是详细的动力分析（如谐响应分析、瞬态动力等）的基础。ANSYS的模态分析是一个线性分析。
3.1新型度张弦桁架结构的模态分析
通过ANSYS分析，我们提取到该结构前十阶自振频率分别为11.997Hz、15.065Hz、16.943 Hz 、44.436Hz、45.576Hz 、54.079Hz、64.498Hz、78.559Hz、 91.069Hz 、97.350Hz。限于篇幅，仅附前三阶振型图，分别见图3、图4、图5：
3.2等效普通桁架结构的模态分析
同样通过ANSYS分析，我们提取到该结构的前十阶自振频率分别为12.616 Hz、13.073Hz、 20.003Hz 、43.969Hz、51.611Hz 、55.281Hz、62.549Hz、82.271Hz、85.407Hz 、108.12Hz。限于篇幅，仅附前三阶振型图，分别见图6、图7、图8：
4、结论
通过对两种桁架结构模态振型的对比分析，可以得出如下结论：
4.1两种桁架结构的频率大小相近，振形也相似，说明预应力对桁架结构的自振周期和振型形状基本没有改变。在设计与计算过程中，预应力桁架结构若按非预应力桁架来考虑各模态的频率和振型也能满足工程设计的要求。通过对阵型对比分析发现，两种桁架的振型可分为两大类：即水平振形和竖向振形。新型张弦桁架以水平振动为主，其节点水平分量很大，竖向分量较小，且以Y方向的水平振形为主，同时还有以在XY平面内扭转为主的振形。从振型图中可看出，两种桁架结构的部分模态出现了两个振型对应的频率（周期）相近的情况，其原因是在有限元分析过程中，由于解广义特征方程时产生了重根的缘故。竖向振型是各节点竖向分量很大而水平分量很小的振型。这两类振形常夹杂在一起，甚至还出现振动无序的现象。这些都进一步说明了桁架结构动力特性的复杂性。
4.2新型张弦桁架结构的振形大多为水平和竖向振型的交叉出现。新型张弦桁架结构的前两阶模态振型为水平振形，周期较长，分别为0.0833和0.0663，在水平地震作用下，支撑对桁架结构是特别有利的。从第三阶模态振型开始，桁架结构以竖向振动为主。第三阶模态振形表现为明显的竖向振动，在竖向地震作用下，桁架结构的响应主要由此振型分量构成。其它振型为水平振型和竖向振型的结合。桁架结构的振动是由各阶振型组合叠加而成，因此，桁架的振动响应比较复杂。
4.3新型张弦桁架结构的基本周期与桁架的短向跨度有很大关系，与支座约束的强弱、荷载大小等略有关系。
4.4新型张弦桁架结构的自振频率随着预应力的增大而略有增大。但预应力并不能从根本上改变桁架结构原有的动力特性，结构构成的变化和质量的变化仍然是影响结构自振特性的主要因素。
参考文献：
[1]董石麟.空间结构[M].北京：中国计划出版社. 2003.10.
[2]刘锡良.白正仙.新型空间结构型式 -张弦梁结构.空间结构[J]，2001.（6）：56—60.
[3]刘锡良.现代预应力钢结构[M].北京：人民交通出版社.2003.12.
[4]GB50017-2003， 钢结构设计规范[S] .
[5]美国ANSYS公司.ANSYS5.5用户使用手册[R].北京：ANSYS公司，1998.
[6]尚洪坤.大跨度新型张弦桁架结构的试验研究与结构分析.贵州大学硕士论文.2006.
[7]尚洪坤.大跨度新型张弦桁架的实验研究..贵州工业大学学报.2005.
[8]卢亚琴.四点支承大跨度预应力空间边桁架双层双曲扁网壳结构的研究.贵州大学硕士论文.2007
关键词：新型张弦桁架结构；普通桁架；预应力；动力；
1、前言
在钢结构中采用加预应力的方法，在十九世纪末就已出现.1887年，俄国专家茹霍夫设计的莫斯科百货商场的拱形屋盖结构，就是最早的预应力结构之一，美国、前苏联、德国都有许多建筑采用了预应力钢结构形式。预应力钢桁架结构，早在上世纪70年代就有学者提出，并在矿山、皮带运输机的型钢桁架结构中运用， 预应力钢网格结构在上世纪90年代中期开始研究与应用，如上海影业公司的平板型组合网架，广东清远市、高安市新兴、连州市阳山县、广西桂平市的体育馆屋盖结构都分别采用预应力组合扭网壳结构和预应力双曲扁网壳结构，还有已经通过国内知名专家组论证，并且应用于成都国际会议展览中心的大跨度下弦管内预应力空间管桁架结构等等，这些均取得较好的经济效益。
2、模型简介
2.1新型张弦桁架模型
模型是在原成都国际会议展览中心空间预应力钢桁架模型（缩尺1/9）的基础上改进得到新型空间预应力张弦桁架，桁架的几何尺寸如图1所示，跨度11.6m。模型计算相当于柱距6m，恒载0.5KN/m2，活载0.5KN/m2的实物试验。桁架支座采用橡胶支座，钢管的弹性模量：E=2.05x105N/mm2 ，钢管的强度设计值：f=215N/mm2， 钢绞线的弹性模量E=1.95x105N/mm2 ，钢绞线的强度标准值：fk=1860N/mm2 ，钢绞线的强度设计值：fp=1320N/mm2 。
新型张弦桁架的上弦及腹杆采用Φ48×3 Q235钢管，下弦及撑竿采用Φ76×3.5 Q235钢管，下弦布置一根7Φ5钢绞线，支座设计为一端固定，另一端作为张拉端，在水平方向可自由滑动。张拉预应力为120 kN。
新型张弦桁架结构的尺寸及测点布置如图1所示。
2.2普通桁架模型简介
普通桁架结构即等效为与张弦桁架结构等高的普通桁架结构，尺寸及测点布置如图2：
3、张弦桁架结构与普通桁架结构的模态分析
用ANSYS软件对两种桁架结构进行模态分析，计算桁架结构的固有频率和振型。模态分析是详细的动力分析（如谐响应分析、瞬态动力等）的基础。ANSYS的模态分析是一个线性分析。
3.1新型度张弦桁架结构的模态分析
通过ANSYS分析，我们提取到该结构前十阶自振频率分别为11.997Hz、15.065Hz、16.943 Hz 、44.436Hz、45.576Hz 、54.079Hz、64.498Hz、78.559Hz、 91.069Hz 、97.350Hz。限于篇幅，仅附前三阶振型图，分别见图3、图4、图5：
3.2等效普通桁架结构的模态分析
同样通过ANSYS分析，我们提取到该结构的前十阶自振频率分别为12.616 Hz、13.073Hz、 20.003Hz 、43.969Hz、51.611Hz 、55.281Hz、62.549Hz、82.271Hz、85.407Hz 、108.12Hz。限于篇幅，仅附前三阶振型图，分别见图6、图7、图8：
4、结论
通过对两种桁架结构模态振型的对比分析，可以得出如下结论：
4.1两种桁架结构的频率大小相近，振形也相似，说明预应力对桁架结构的自振周期和振型形状基本没有改变。在设计与计算过程中，预应力桁架结构若按非预应力桁架来考虑各模态的频率和振型也能满足工程设计的要求。通过对阵型对比分析发现，两种桁架的振型可分为两大类：即水平振形和竖向振形。新型张弦桁架以水平振动为主，其节点水平分量很大，竖向分量较小，且以Y方向的水平振形为主，同时还有以在XY平面内扭转为主的振形。从振型图中可看出，两种桁架结构的部分模态出现了两个振型对应的频率（周期）相近的情况，其原因是在有限元分析过程中，由于解广义特征方程时产生了重根的缘故。竖向振型是各节点竖向分量很大而水平分量很小的振型。这两类振形常夹杂在一起，甚至还出现振动无序的现象。这些都进一步说明了桁架结构动力特性的复杂性。
4.2新型张弦桁架结构的振形大多为水平和竖向振型的交叉出现。新型张弦桁架结构的前两阶模态振型为水平振形，周期较长，分别为0.0833和0.0663，在水平地震作用下，支撑对桁架结构是特别有利的。从第三阶模态振型开始，桁架结构以竖向振动为主。第三阶模态振形表现为明显的竖向振动，在竖向地震作用下，桁架结构的响应主要由此振型分量构成。其它振型为水平振型和竖向振型的结合。桁架结构的振动是由各阶振型组合叠加而成，因此，桁架的振动响应比较复杂。
4.3新型张弦桁架结构的基本周期与桁架的短向跨度有很大关系，与支座约束的强弱、荷载大小等略有关系。
4.4新型张弦桁架结构的自振频率随着预应力的增大而略有增大。但预应力并不能从根本上改变桁架结构原有的动力特性，结构构成的变化和质量的变化仍然是影响结构自振特性的主要因素。
参考文献：
[1]董石麟.空间结构[M].北京：中国计划出版社. 2003.10.
[2]刘锡良.白正仙.新型空间结构型式 -张弦梁结构.空间结构[J]，2001.（6）：56—60.
[3]刘锡良.现代预应力钢结构[M].北京：人民交通出版社.2003.12.
[4]GB50017-2003， 钢结构设计规范[S] .
[5]美国ANSYS公司.ANSYS5.5用户使用手册[R].北京：ANSYS公司，1998.
[6]尚洪坤.大跨度新型张弦桁架结构的试验研究与结构分析.贵州大学硕士论文.2006.
[7]尚洪坤.大跨度新型张弦桁架的实验研究..贵州工业大学学报.2005.
[8]卢亚琴.四点支承大跨度预应力空间边桁架双层双曲扁网壳结构的研究.贵州大学硕士论文.2007