關于建筑結構設計中拱桁架結構優化設計

宮彩鳳

黑龍江集盛建筑設計有限公司

關于建筑結構設計中拱桁架結構優化設計

宮彩鳳

黑龍江集盛建筑設計有限公司

拱桁架結構在現代建筑設計中很是常見，尤其是在大跨度、大空間建筑中。基于該結構形式的特點，本文對該結構在建筑結構設計中的優化方法作詳細探析，并得出相關結論，供同行參考借鑒。

建筑結構設計；拱桁架結構；設計優化；方法

從性質上而言，拱桁架屬于鋼結構形式的一種，在現代建筑結構設計中得到了廣泛的應用。拱桁架結構的最大特點是能滿足大跨度屋蓋結構設計需求，同時降低屋蓋造價成本，因此受到了建筑結構設計行業的高度重視。結合拱桁架結構應用現狀，筆者現對拱桁架結構設計優化方案作詳細論述。

一、拱桁架結構的概述

1、拱桁架的特點

隨著建筑事業的不斷發展，建筑結構設計水平也變得越來越高，多種不同形式結構層出不窮，為建筑造型百變，建筑功能完善做出了巨大貢獻。拱桁架結構作為一種常見鋼結構，現已在大跨度建筑屋蓋體系中得到廣泛應用。

就我國當前的拱桁架結構發展狀況來看，建筑結構設計中常見的拱桁架形式主要分為三種，即不拉索和桿結構、拉索結構以及拉桿結構。這三種拱桁架結構按照支座類型劃分，原理在于，結構中拱所承受的荷載由曲桿承受，同時曲桿在承受荷載的同時將部分荷載傳遞到結構支座上，由支座來承受結構的整體受力。即是說，拱桁架結構支座負責承受結構所受的所有外力，包括結構豎向壓力以及拱結構的水平推力。為此，在拱桁架結構設計中，支座處理是關鍵，設計時務必要做好支座受力設計方案的優化。

2、拱桁架支座設計

拱桁架支座抗衡、化解拱結構傳遞過來的水平推力方法主要有兩種，一是將結構支撐，二是拉桿承受。前者是指利用支座結構來承受水平推力，后者則要求在拱桁架下方增設一個下弦單拉桿，利用拉桿來化解推力。

如設計中采用第一種方法，利用結構支座來支撐水平推力，會大大增加結構負荷，設計時為了防止結構坍塌，必須對結構構件質量提出高要求，這便很容易造成材料浪費，增加工程造價成本；如果采用第二種方法，在拱桁架下方設置下弦單拉桿，利用單拉桿化解水平推力，可大大減少支座受力，因此無需過分提高結構構件質量要求，所消耗的施工材料也比較少，工程造價自然會降低。所以一般情況下，拱桁架結構設計多采用拉桿增設方式，我們在探討拱桁架結果設計優化方案時，可將拉桿設計作為突破口，合理優化拱桁架拉桿設計方案。

二、拱桁架結構設計優化

1、工程概況

在某地區的一個生態園區的發展建設中，為了滿足生產的需要，要在園區內建造一個鋼屋蓋結構的大空間、大跨度建筑。在對工程進行設計的過程中，設計人員將屋蓋結構的主體設計為采用鋼管立體桁架的結構，其跨度為60m，柱距為8．1m，設計基準期為50年，設計使用年限為50年，建筑結構的安全等級為二級，結構重要性系數r0=1．0。

2、工程結構設計方案

本工程施工前期，應開發商要求，設計單位將工程的建筑結構風格定義在簡單、大方之上，設計時盡量滿足大空間建筑需求，既保證了建筑結構的實用性，又保證了建筑結構的美觀性。實際設計時，設計人員采用大跨度空間網架結構作建筑結構設計方式，同時將網架結構形式確定為拱桁架，最終確定出了大跨度空間拱桁架結構設計方案。

為了滿足建筑結構受力需求，設計人員在該套設計方案中融入了拱桁架拉桿結構，目的在于利用拉桿結構來分散拱桁架支座受力，減輕支座受到的拱結構水平推力，達到節省施工材料，降低工程造價成本要求。

3、工程結構設計方案的比較

在確定拱桁架結構設計方案之前，設計人員探討出了幾種各具優缺點的結構設計方法，并利用模型設計方式對幾種設計方案的設計參數作了仔細比較，結合設計參數分析了幾種結構各自的受力特點，詳細方法如下：

3．1 模型設計及參數計算

對拱桁架結構模型進行計算分析，得知拱桁架結構屬性為平面結構，因此本工程在分析拱桁架模型設計時，只選用一榀拱桁架作設計模型。該結構設計模型中，拱桁架結構的總跨度為60米，結構高7．5米，橫截面形狀為倒三角形。該結構在設計施工時選用了型號為Q235B，彈性模量E=2．06E11N/m2，屈服極限σs=235E6N/m2的鋼材料。拱桁架支座處理采用剛接和鉸支方式。分析計算拱桁架結構模型時，設計者引進了ANSYS程序，計算得出相應的設計參數。

3．2 單榀拱桁架的受力分析

對于單榀拱桁架結構的受力特點進行分析時，設計人員采用了結構靜力分析法對各自結構受力情況作了探討，并最終得出選用拉桿作為支座之間的連接方式是最具有經濟價值和實用價值的，且比起其他方案，這種設計方式所具有的抗震性、經濟性也更好，更能優化拱桁架結構受力。具體的方案設計方法和受力分析分別如下所示：

（1）Ⅰ方案拱桁架支座為兩端鉸支，其最大位移出現在跨中，值為54．2mm，下弦桿的內力最大，值為101MPa。

（2）Ⅱ方案中，考慮了索的預應力，通過調整張弦桁架中索的初始應變的方式施加預應力，對結構初始形態預起拱，按規定，幾乎所有結構剛度不足工程均不需要對結構在荷載下產生的彈性位移進行控制，而通過結構的初始幾何形態的預起拱實現結構正常使用的變形性能安全設計目標。但此時，結構的絕對位移值超過250mm，如此大變形對屋面圍護次結構、屋面防水連接構造的正常使用的安全性能將產生嚴重不利影響。

（3）Ⅲ方案中，將拉索換為拉桿，其最大位移出現在跨中，值為87．8mm，下弦桿的內力最大，值為91．8MPa。

3．3 方案分析

分析比較上述三種不同設計方案的優缺點之后，得出以下幾點相關結論：Ⅰ方案的用鋼量和支座反力最大，而這恰恰與甲方要求用鋼量低、對下部結構負荷小的要求相違背；Ⅱ方案在索施加預應力的作用下，用鋼量最省，如對索施加預應力來達到控制結構撓度的要求，則所施加的預應力較大，其索力約為670kN，上弦桿的斷面也相應的增大，而且，施工難度比較大；Ⅲ方案的用鋼量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之間，且施工也不難，撓度也滿足規范的要求。由于結構的自振特性是結構動力的基本性質，也是動力分析的基礎。對結構進行動力特性分析可見，拉桿方案的基頻遠大于拉索方案的基頻，則說明Ⅲ方案的面內剛度大于Ⅱ方案的面內剛度，抗震性能良好。

三、結束語

綜上所述，拱桁架結構目前在建筑結構設計中的應用已經十分常見，尤其是在大跨度空間結構中，其以自身所具備的良好經濟性、實用性，受到了建筑設計人士的廣泛喜愛。鑒于拱桁架設計重點在支座處理，設計時如果在拱桁架結構下方增設拉桿，利用拉桿來分散支座受力，緩解支座荷載，可在更大程度上提高拱桁架荷載能力，優化結構，降低工程造價成本。由此可見，在拱桁架結構設計中，最佳的設計優化方式是支座處理，只要處理好了支座受力，最終所獲得的工程效果勢必會更好。

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