索在張弦拱結構中的使用

史德博 黃 偉

索在張弦拱結構中的使用

史德博 黃 偉

本文結合實際工程，對張弦拱結構中索對結構的貢獻及索內預應力的確定標準做了分析，指出在張弦拱體系中，柔索與剛性拱相互結合，相互補充，比任何一種單獨的結構更合理、更經濟。

張弦拱；主索；穩定索；對稱斜拱

一、工程概況

本工程由三部分組成，兩邊為對稱布置的柱面鋼框架，由焊接工字型主次鋼梁體系組成；中間為6對斜放的對稱張弦拱形成主框架，上放連續檁條而形成的一個空間結構。拱架跨度為60m，矢高9m；兩端的拱架之間拱腳有水平拉索相連，5等分處有4條垂直穩定索與兩邊拱架間的短桿相連；中間四跨拱架拱腳有矢高為5m的弧形索相連，20等分處有19對穩定索與兩邊拱架相連。支座采用鑄鋼不動鉸支座。本文重點闡述張弦拱中索的使用情況，計算模型及平面尺寸如下圖。

斜拱截面為Φ800x20螺旋焊接鋼管；檁條截面為口400×200×8，端部檁條截面為口400×200× 10；鋼材材質為Q235C。

計算模型

主索截面為5×337(Φ100)，5×187(Φ75)，穩定副索截面為5×13(Φ22)，鋼索為半平行預應力鋼索，二級松弛，外包PE，Rm=1670MPa，單根鋼絲直徑5mm。

支撐混凝土柱截面為2800×1200。

二、拉索在張弦拱結構中的貢獻

1.減少拱腳水平推力及柱頂側移

工程上常用的兩鉸拱有兩種形式，即無拉桿的兩鉸拱 (見圖1a)和有拉桿的兩鉸拱 (見圖1b)，根據建筑使用上的不同要求及材料供應情況，可變動拉桿的位置和形狀，如適當提高拉桿的位置，或用若干根短桿組成桿系代替單根拉桿 (見圖1c、d)。

圖1

2.協調相鄰拱架的豎向撓度和水平側移

因本工程各拱架下支撐柱的截面相同但長度不同，線剛度不同，故在相同的荷載作用下拱架的內力和變形也不同。這將產生兩個不良后果，一方面使拱架間的連接節點 (見圖2)內因兩側的變形不同而產生較大的附加內力，另一方面使拱架上的檁條因兩支撐端位移的不同而引起附加內力。

通過調整拱架間拉索內的預應力使相鄰拱架間的水平側移和豎向撓度的差值控制在1cm以內，從而最大限度的減小拱架間連接節點和檁條內的附加內力。

三、拉索施加預應力的目標

1.柱頂側移的限制

表1

圖3

2.根據實際經驗要求相鄰拱架上對應節點的水平側移和豎向撓度的差值不超過10mm，如此能盡可能減少結構內的附加內力，通過調整索內的預應力來滿足此 (結果見表3)。

3.保證在所用工況下索不退出工作，也就是在任何工況組合下索內只有拉力。各根索在使用過程中的最大和最小軸力如表2所示：

表2

4.確保在最不利荷載組合下索內拉力在拉索破斷力的0.4倍以下。

各主索的最大破斷力及所要求的受力限制如表3所示：

表3

綜合考慮以上幾種因素，確定各根主索內施加的初始預應力如表4所示：

表4 索內施加預應力

四、結 論

1.加索和不加索拱腳水平推力的對比如下圖。

加索后拱腳支座反力的最大值

不加索拱腳支座反力最大值

2.加索和不加索1/2和1/4拱跨處的豎向位移對比如表5(節點編號見平面圖)。

表5

通過以上兩個圖表的對比可以看出加索后拱腳的水平推力減少了35%～60%，控制點處的位移減少了10%～45%，從而可以得出以下結論：

1.由于在拱腳添加鋼索，通過張拉鋼索，使索與拱互相壓緊，形成預應力索拱體系，從而使張弦結構的整體剛度大于單純剛性構件的剛度；因此在同樣荷載的作用下，張弦結構的變形比單純剛性構件的變形小得多。

2.通過索的預張力作用對剛性構件施加反向荷載，從而達到調整剛性構件內部的彎矩大小和分布的目的。

3.因為剛性拱的受力特征，在支座處產生很大的水平推力；索的引入可以平衡掉部分此推力，從而減少對下部結構抗側力的要求。

4.由于剛性拱的存在，使得鋼索不需施加很大的預應力，從而使支撐結構的負擔得以減輕。與單一工作的拱相比，索拱體系內的拱與張緊的索相連，不易發生整體失穩，因此所需拱的截面較小。

以上說明索拱體系中，柔索與剛性拱相互結合，相互補充，比任何一種單獨的結構更合理、更經濟。

[1]《建筑抗震設計規范》 (GB 50011-2001).

[2]《鋼結構設計規范》 （GB50017-2003）.

[3]王蔭長，劉錚，周文群，李青寧.結構力學.冶金工業出版社 1998

[4]沈世釗，徐崇寶，趙臣，武岳.懸索結構設計.(第二版).中國建筑工業出版社

TU356

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1671-3362（2010）03-0024-04

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