例题
张弦结构分析
M I D A S/G e n
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例题
2 例题10. 张弦结构分析
概要
此例题将介绍利用MIDAS/Gen做张弦结构分析的整个过程，以及查看分析结果的方
法。
该例题的建模部分可以参见MIDAS/Gen语音资料的弧形网架建模动画，这里不再做介
绍。
通过该例题希望用户能够了解做张弦结构分析的一般步骤和过程，重点是让用户
了解在MIDAS/Gen中施加和调整索单元张拉力的方法、几何非线性分析的设置及如何
对带有索单元的结构进行弹性反应谱分析。
张弦结构概述
张弦结构是将上弦刚性受压构件通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体
系，是一种大跨度预应力空间结构体系。
张弦结构上弦刚性构件可以是实腹式梁，也可以是格构式桁架，据此对不同的张弦结
构可称作张弦梁或张弦桁架。
本例题中介绍的模型使用张弦桁架。
张弦结构的特点
张弦结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的桁
架或梁而使体系的刚度和稳定性大为增强。
对张弦结构中索施加一定的预拉力，这既可使索具有适当的初始绷紧度，也可对索与
桁架或梁之间的受力比例进行必要调整；既充分发挥了索的抗拉能力，又调整了桁架
或梁的内力分布（使桁架或梁中的内力分布趋于均匀）
张弦结构的形态定义
张弦结构像悬索结构等柔性结构一样，根据张弦结构的加工，施工及受力特点，通常
将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态三种。
（1）：零状态
零状态是拉索张拉的前状态，实际上是指构件的加工和放样状态，通常也称结构放样态。
当索张拉完毕后，结构上弦构件的形状将发生偏离，从而不能满足建筑的要求，因此，张弦结构上弦构件的加工放样要考虑这种索张拉后带来的变形影响，这是张弦结构要进行零状态定义的原因。
（2）：初始态
初始态是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态，通常也称预应力态。
初始态是建筑施工图中所明确的结构外形。
（3）：荷载态
荷载态是外荷载作用在初始态结构上发生变形后的平衡状态。
张弦桁架在MIDAS中的计算
此例题的分类及各自的步骤如下:
一、在工程中已知索单元初拉力的情况下，加其它荷载进行分析，求索单元的拉力变化及结构的变形。
1.打开建好的张弦桁架模型、输入其它荷载
2.输入索单元的初拉力（即对索单元进行张拉）
3.定义几何非线性分析控制数据
4.运行结构分析
5.查看结果
二、对带有索单元的结构进行反应谱分析
1.打开建好的张弦桁架模型
2.添加各类荷载、设定反应谱及工况
3.使用小位移输入索单元的初拉力（即对索单元进行张拉）
4.运行结构分析
5.查看有关结果
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例题
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分析模型与荷载工况
本例题张弦桁架的几何形状、边界条件以及所使用的构件如图1所示。
本例题的边界条件设定为一端铰接，另一端为滑动支座。
本例题中荷载只考虑自重、屋盖作用恒荷载、活荷载、索的初拉力。
(本例题数据仅供参考)
注意：进行几何非线性分析时，需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结果，必须将该荷载组合作为一个工况进行非线性分析，查看该工况的结果。
不能象弹性分析时，直接查看分析后几种单独工况的线性组合结果。
荷载工况 1 – 自重
荷载工况 2 –屋面恒荷载 10kN （节点荷载） 荷载工况 3 –屋面活荷载 5kN （节点荷载）
索初拉力 1000kN
轴侧图
平面图
立面图
图1. 分析模型
输入各种荷载
自重、屋面恒、活荷载的输入
设定荷载工况，输入自重、屋面恒荷载、屋面活荷载。
关于荷载的输入，可以参见平
面网架的例题。
由荷载组合建立荷载工况
需要查看几种荷载按一定的方式进行荷载组合作用后的结果，必须将该荷载组合作为
一个工况进行非线性分析，查看该工况的结果。
MIDAS/Gen中可以通过“荷载>由荷载
组合建立荷载工况”将某一荷载组合生成一种荷载工况，再利用该工况进行分析。
本例题中，假设需要查看的是在1.2倍恒荷载（包括自重）和1.4倍活荷载（即 1.2D+
1.4L）组合下的结果。
图2. 由荷载组合生成荷载工况
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例题
6 添加索单元的初拉力
主菜单>荷载>初始荷载>大位移>几何刚度初始荷载。
选择好需要加初拉力的索单元后，利用该菜单给索单元加初拉力。
注：在MIDAS/Gen中，进行几何非线性分析（大位移）分析时，给索单元加初拉力的方法有三种：
1、荷载>初始荷载>大位移>几何刚度初始荷载，
2、在建立单元的时候，“单元类型”选择为索单元时，使用无应力长度“Lu”或者
直接加“初拉力”，
3、荷载>预应力荷载>初拉力荷载。
方法一施加的初拉力相当于内力，在查看某一荷载工况下的构件内力时，显示的数值为初拉力和该荷载工况作用下索单元内力两者的合力。
方法二、三施加的初拉力相当于外力。
方法二施加的初拉力，不需要设定为荷载工况，在计算后，查看某工况下的结构内力时，得到的结果是该工况和初拉力共同作用的结果。
方法三需要设定初拉力为某一荷载工况，当需要查看另外一个工况和初拉力共同作用的结果时，要将二者放在同一个工况内，进行非线性计算。
在需要考虑施工过程（例如分批张拉索单元）的时候，可以采用这种方法施加初拉力并设定施工阶段进行分析。
MIDAS/Gen施工阶段的定义可参加相关例题。
图3. 添加索单元的初拉力
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设定非线性分析控制数据
主菜单>分析>非线性分析控制。
设定几何非线性的分析，选择计算方法、加载步骤数量、子步骤内迭代次数，选择收敛条件。
图4. 非线性分析控制数据
运行分析并查看结果
运行分析后，注意信息窗口里面的提示，如果有不收敛，如图5所示，需要调整“非线性分析控制数据”里面的有关参数。
通过“主菜单>结果>位移>位移等值线”、“主菜单>结果>内力>桁架单元内力”，可
添加“非线性分析荷载工况”，则对该工况使用单独设定的计算方法及加载步骤数量，其余的荷载工况使用“计算方法”中设定的参数。
如果不定义“非线性分析荷载工况”，则“计算方法”中设定的参数对所有工况都适用。
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8 以图形方式查看结构的位移、桁架及索单元的内力，分别见图6、图7。
通过“主菜单>结果>分析结果表格>索单元>内力”、“主菜单>结果>分析结果表格>索单元>信息”，可以表格方式查看索单元的内力及有关信息，见图8、图9。
也可以通过“主菜单>结果>分析结果表格>桁架单元>内力”、“主菜单>结果>分析结果表格>桁架单元>应力”
，在“选择类型”中选择“只受拉桁架单元”，点击，也可以查看索单元的内力、应力，见图10、图11。
图5. 信息窗口的提示
图6. 以图形方式显示结构的位移
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图7. 以图形方式显示索单元的内力
图8. 以表格方式显示索单元的内力
如果只想显示结构中部分单元的内力数值，而其它的构件又要同时显示出来时，可以单击“显示选项”按钮，选择“绘图”下面的“被钝化的目标”，在右边的“选择值”中勾选“显示单元、节点”。
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图9. 显示索单元的信息
图10. 以表格方式显示索单元的内力
图11. 以表格方式显示索单元的应力
对带有索单元的结构进行反应谱分析
各类荷载的添加、设定反应谱及工况本例题不再重复叙述，可以参见其它学习例题。
索单元拉力的添加
在对带有索单元的结构进行反应谱分析的时候，注意到反应谱分析属于弹性分析，索
单元在分析时等代成桁架单元参与计算。
此时对于索单元初拉力的添加方法是：主菜单>荷载>初始荷载>小位移>初始单元内
力。
见图12。
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图12. 初始单元内力
运行分析并查看结果
本例题中，在这里我们只显示查看振型及周期。
其余结果的查看，可以参考其它例题。
通过“主菜单>结果>周期与振型”，可以图形方式查看各振型的形状，第一振型如图13所示。
通过“主菜单>结果>分析结果表格>周期与振型”，可以表格方式查看各振型的周期、振型参与质量等结果，见图14。
图13. 振型模态图形结果
图14. 周期与振型的表格结果
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