索結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)實(shí)例分析與索結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

摘 要:闡述張弦梁結(jié)構(gòu)的基本概念，引用具體實(shí)例說(shuō)明張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。其次介紹了索的剛度和索結(jié)構(gòu)的三種受力狀態(tài)。

關(guān)鍵詞:張弦梁結(jié)構(gòu)索結(jié)構(gòu)剛度預(yù)應(yīng)力三種受力狀態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào):TV73文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098x(2011)07(c)-0093-04

大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)是近十余年來(lái)快速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)由剛度較大的抗彎構(gòu)件(又稱(chēng)剛性構(gòu)件，通常為梁、拱或桁架)和高強(qiáng)度的弦(又稱(chēng)柔性構(gòu)件，通常為索)以及連接兩者的撐桿組成;通過(guò)對(duì)柔性構(gòu)件施加拉力，使相互連接的構(gòu)件成為具有整體剛度的結(jié)構(gòu)。

天津站無(wú)站臺(tái)柱雨棚的主體屋架結(jié)構(gòu)就是張弦梁結(jié)構(gòu)，其最大跨度為48.525m。雨棚分東西兩部分，西側(cè)雨棚寬度為147m，長(zhǎng)度為213m，縱向設(shè)溫度縫一道，分為2個(gè)溫度區(qū)段;東側(cè)雨棚寬度為253.5m，長(zhǎng)度213m，縱向設(shè)溫度縫兩道，分為3個(gè)溫度區(qū)段。雨棚縱向共有20榀剛架，榀間距為20m。每一榀剛架又由五連跨橫向5榀張弦梁剛架組成，跨度從南到北分別為48.525m，41.1m，41.95m，41.95m，39.5m。剛架的縱向平面外穩(wěn)定由屋面的支撐系統(tǒng)保證。剛架梁為張弦梁，柱為圓鋼管混凝土柱，規(guī)格為。柱頂標(biāo)高9.5m，通過(guò)四棱錐狀的分叉柱與張弦屋架鉸接連接，錐角為，錐體高度為3.3m，分叉柱與張弦屋架以銷(xiāo)軸形式實(shí)現(xiàn)理想鉸接。分叉柱為圓鋼管，直接過(guò)渡成錐形鋼管。張弦梁屋架中上弦為拱形桁架結(jié)構(gòu)，拱頂標(biāo)高15.9m。矢高3.1m。預(yù)張力索為低松弛冷拔鋼絲束，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1670N/mm2，直接充當(dāng)屋架的下弦，外形是一條下凹的拋物線，垂跨比接近1∶30.索與拱形桁架之間通過(guò)“V”字狀的豎腹桿連接。拱形桁架弦桿為圓鋼管，腹桿為圓鋼管。V”字狀的豎腹桿為圓鋼管。索一方面充當(dāng)受拉的下弦結(jié)構(gòu)單元，另一方面又通過(guò)豎腹桿對(duì)剛性的上弦施加了與主要外部荷載作用效應(yīng)相反的預(yù)張力，提高了上弦構(gòu)件的承載能力。剛性的上弦截面提供了結(jié)構(gòu)的豎直向平面內(nèi)剛度;下弦鉸接節(jié)點(diǎn)平面外的剛度由下弦預(yù)張力剛度予以保證，結(jié)構(gòu)體系為半剛性結(jié)構(gòu)。這種索與拱形桁架的組合結(jié)構(gòu)體系組合了索結(jié)構(gòu)和拱結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。索增加了拱的平面內(nèi)穩(wěn)定性能，同時(shí)又減少了拱的水平推力;拱提高了索的平面內(nèi)剛度，有效減小荷載作用下，結(jié)構(gòu)的變形。與常規(guī)剛性屋蓋相比，用鋼量大大節(jié)省。由于整個(gè)屋面體系由平面屋架通過(guò)縱向交叉支撐連接形成的，結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，可以取一榀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。下面僅以GJ1為例介紹該體系初始張拉力確定、荷載作用下的力學(xué)性能，動(dòng)力特性和縱向地震作用下取整個(gè)結(jié)構(gòu)體系計(jì)算。所采用的結(jié)構(gòu)分析軟件為MIDAS。GJ1計(jì)算模型如圖1所示。

1 荷載工況與組合

1.1 荷載工況

(1)永久荷載:0.6kN/m2(屋面、檁條及吊掛)，拱形桁架上節(jié)點(diǎn)荷載:0.52x17.1x3=28kN

(2)可變荷載:

①屋面活荷載:0.5kN/m2

②屋面雪荷載:0.4kN/m2

因活荷載不與雪荷載同時(shí)考慮，且大于雪荷載，故取0.5kN/m2。

③風(fēng)荷載:基本風(fēng)壓:0.5kN/m2，風(fēng)壓高度變化系數(shù)0.74，陣風(fēng)系數(shù)1.84，體型系數(shù)-1.3、-0.7，左半跨-0.89kN/m2，右半跨-0.48kN/m2

(3)地震荷載:設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為III類(lèi)。

(4)溫度荷載:考慮30度的降溫和升溫。

1.2 荷載組合

(1)恒+活+升溫

(2)1.2恒+1.4活+0.98升溫

(3)(1.2恒載+1.2×0.5雪荷載+1.3×X水平地震)×0.75

(4)(1.2恒載+1.2×0.5雪荷載+1.3×Y水平地震)×0.75

(5)1.2恒載+1.2×0.5雪荷載+1.3×Z豎向地震

(6)(1.2恒載+1.2×0.5雪荷載+1.3×x水平地震+0.5×豎向地震)×0.75

2 初始狀態(tài)分析

屋蓋結(jié)構(gòu)為半剛性結(jié)構(gòu)體系，初始狀態(tài)預(yù)張力的分布和大小對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度、穩(wěn)定、極限承載力至關(guān)重要。索結(jié)構(gòu)初始張拉力的確定需滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求:

(1)初始張拉力施加完成之后，結(jié)構(gòu)幾何與圖紙幾何盡可能接近

(2)預(yù)張力的大小和分布應(yīng)使結(jié)構(gòu)在荷載作用下能滿(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，索不出現(xiàn)松弛。本工程結(jié)構(gòu)分析時(shí)假定零狀態(tài)幾何為圖紙幾何。經(jīng)多次試算，最后確定在考慮結(jié)構(gòu)自重情況下，下拉索作為主動(dòng)索施加至235KN的預(yù)張力。

初始狀態(tài)單元軸力分布如圖2所示，

拱梁軸力在[-86kN，-121kN]之間，分布非常均勻;拱梁初始彎矩分布圖，如圖3所示。

幾乎沒(méi)有彎矩。結(jié)構(gòu)自零狀態(tài)至初始狀態(tài)的變形如圖4所示。

相對(duì)于圖紙幾何，拱梁跨中下?lián)?mm。這樣的偏差是建筑師所能接受的范圍。

3 動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的計(jì)算應(yīng)建立在荷載狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)的剛度應(yīng)取施加初始狀態(tài)預(yù)張力后、在地震作用重力荷載代表值(1.0恒荷載+0.5活荷載)作用下的剛度，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

計(jì)算所得結(jié)構(gòu)的第一階振型為整體縱向振動(dòng)，周期為1.69S，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參與系數(shù)為83%，與III類(lèi)場(chǎng)地的卓越周期相差較遠(yuǎn)，因此屋蓋結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)并不劇烈，同時(shí)結(jié)構(gòu)平面外剛度較弱，合理的屋面支撐體系布置和剛度是至關(guān)重要的。

4 荷載狀態(tài)分析

在荷載組合1:(恒+活+升溫)作用下，結(jié)構(gòu)向下位移為42mm(相對(duì)于初始狀態(tài))。如圖6所示，

按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017的要求，對(duì)于大跨度無(wú)吊車(chē)和無(wú)吊頂屋蓋的撓度容許值可取跨度的1/400，即L/400=113mm，最大位移滿(mǎn)足要求。

5 驗(yàn)算結(jié)果

最大穩(wěn)定應(yīng)力如表1所示。

6 本人通過(guò)了該工程的參與設(shè)計(jì)，對(duì)索結(jié)構(gòu)的剛度、索結(jié)構(gòu)三種工作狀態(tài)頗有心得，寫(xiě)出來(lái)想與大家共同學(xué)習(xí)

6.1 索結(jié)構(gòu)的剛度

索結(jié)構(gòu)不同于常規(guī)結(jié)構(gòu)的地方就是拉索初始預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)整體的剛度貢獻(xiàn)。同樣一根索，索中拉力不同，其剛度也不同。拉索是整體結(jié)構(gòu)中的一根構(gòu)件，其對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的貢獻(xiàn)分為兩部分:一是材料剛度;二是幾何剛度。

6.1.1 材料剛度

索的材料比較柔，其材料剛度像鉸接桿件一樣，是由于其橫截面和材料剛度而產(chǎn)生的，索的材料有鋼絲束和鋼絲繩兩種。①鋼絲束索由單股高強(qiáng)度鋼絲或鋼絞線按平行或半平行方式扭絞而成。高強(qiáng)度鋼絲的直徑一般為5mm和7mm。②鋼絲繩索用高強(qiáng)度鋼絲直徑小于5mm，是由鋼絲束形狀的截面圍繞繩芯扭絞而成，繩芯可采用纖維芯或鋼芯。材料剛度非常小，設(shè)計(jì)中可忽略。

6.1.2 幾何剛度

幾何剛度是由于拉索中預(yù)應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的剛度貢獻(xiàn)，通常講索對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度貢獻(xiàn)就是指這部分剛度。剛度貢獻(xiàn)包括截面剛度和應(yīng)力剛度兩方面。這兩種剛度使得索結(jié)構(gòu)具有與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的兩個(gè)特點(diǎn)。(1)索結(jié)構(gòu)中可以存在機(jī)構(gòu)或瞬變自由度。索單元的截面剛度僅是軸向的，但其應(yīng)力剛度是空間三向的，索結(jié)構(gòu)中可以容許截面剛度為零而應(yīng)力剛度非零的機(jī)構(gòu)自由度或瞬變自由度存在。(2)索單元的截面剛度是常數(shù)，應(yīng)力剛度是變化的。索只能受拉，不能受壓，受壓就退出工作，所以，索結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是一種非線性結(jié)構(gòu)體系，但索結(jié)構(gòu)又根據(jù)不同的自由度方向存在不同比例的截面剛度和應(yīng)力剛度，可分為剛性結(jié)構(gòu)、半剛性結(jié)構(gòu)、柔性結(jié)構(gòu)。當(dāng)索結(jié)構(gòu)中各個(gè)自由度方向均存在截面剛度，主要特征呈線性變化，此種索結(jié)構(gòu)為剛性結(jié)構(gòu);當(dāng)索結(jié)構(gòu)中大部分自由度方向僅存在應(yīng)力剛度，剛度較小并呈現(xiàn)明顯的非線性特征，此種索結(jié)構(gòu)為柔性結(jié)構(gòu);當(dāng)索結(jié)構(gòu)中部分自由度方向存在截面剛度，而其他自由度方向僅存在應(yīng)力剛度時(shí)，此種索結(jié)構(gòu)為半剛性結(jié)構(gòu)。

6.2 索結(jié)構(gòu)的三種狀態(tài)

索的幾何剛度怎樣實(shí)現(xiàn)呢？索結(jié)構(gòu)分析中有三種狀態(tài):零狀態(tài)、預(yù)應(yīng)力狀態(tài)(初始態(tài))、荷載狀態(tài)(工作態(tài))。(1)零狀態(tài)是受力分析時(shí)剛建好的模型，搭設(shè)支撐體系，安裝鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和被動(dòng)索，此時(shí)的狀態(tài)為零狀態(tài)(2)預(yù)應(yīng)力狀態(tài)(初始狀態(tài))就是結(jié)構(gòu)受外荷載之前，張拉主動(dòng)索，撤除支撐體系，形成自平衡的預(yù)張力結(jié)構(gòu)體系的真實(shí)狀態(tài);也就是建筑施工剛完畢之后的狀態(tài)。此時(shí)的索是繃緊的，此時(shí)的索力就叫拉索的預(yù)應(yīng)力。這個(gè)狀態(tài)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的、平衡的，在此基礎(chǔ)上施加一定的荷載之后，結(jié)構(gòu)的變形一般也不會(huì)太大，和常規(guī)結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有什么不同。(3)荷載狀態(tài)是在預(yù)應(yīng)力狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)構(gòu)承受外荷載的狀態(tài)。這三個(gè)狀態(tài)之間的關(guān)系為:零狀態(tài)是找到預(yù)應(yīng)力態(tài)的基礎(chǔ)和手段;預(yù)應(yīng)力態(tài)是荷載態(tài)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)必須在預(yù)應(yīng)力態(tài)上才能施加外荷載。

零狀態(tài)包含“分析零狀態(tài)”和“施工零狀態(tài)”兩種狀態(tài)。

“分析零狀態(tài)”是在結(jié)構(gòu)找形分析之前，建立的用于找形分析的初始幾何模型。在這個(gè)零狀態(tài)基礎(chǔ)上給拉索一定的初始條件，利用非線性有限元法，通過(guò)找形，得到平衡的“預(yù)應(yīng)力狀態(tài)”，也就得到了索結(jié)構(gòu)的幾何剛度。

“施工零狀態(tài)”是施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的預(yù)應(yīng)力態(tài)，把各構(gòu)件連接起來(lái)，還沒(méi)有開(kāi)始張拉的狀態(tài)。待張拉完畢，拉索的預(yù)應(yīng)力達(dá)到設(shè)計(jì)值后，就得到了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)。

可以看到下面的關(guān)系:

(1)分析零狀態(tài)→計(jì)算→預(yù)應(yīng)力狀態(tài);

(2)施工零狀態(tài)→張拉→預(yù)應(yīng)力狀態(tài);

分析零狀態(tài)和施工零狀態(tài)最終都是得到了預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，但是他們兩個(gè)卻是完全不同的兩個(gè)概念。

施工單位根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的索長(zhǎng)和預(yù)應(yīng)力大小等具體數(shù)值(預(yù)應(yīng)力平衡狀態(tài)下的數(shù)值)，也就是拉索拉緊狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，反算拉索松弛狀態(tài)下的長(zhǎng)度，即下料長(zhǎng)度。然后將下料長(zhǎng)度的索運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工。利用下料長(zhǎng)度的索，拼裝起來(lái)的結(jié)構(gòu)就是施工零狀態(tài)。

施工零狀態(tài)是很難用軟件計(jì)算出來(lái)的，因?yàn)楹苡锌赡苡行├髟趶埨埃幱跇O度松弛狀態(tài)，就像一根繩子堆在地上一樣，這種狀態(tài)是沒(méi)法用有限元方法計(jì)算的。所以，分析零狀態(tài)只是一種處理手法，沒(méi)有實(shí)際工程意義;而施工零狀態(tài)是施工張拉前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，具有實(shí)際工程意義。