索結構工程設計實例分析與索結構特點

摘 要:闡述張弦梁結構的基本概念，引用具體實例說明張弦梁結構的設計方法。其次介紹了索的剛度和索結構的三種受力狀態。

關鍵詞:張弦梁結構索結構剛度預應力三種受力狀態

中圖分類號:TV73文獻標識碼:A文章編號:1674-098x(2011)07(c)-0093-04

大跨度張弦梁結構是近十余年來快速發展和應用的一種新型大跨空間結構形式。結構由剛度較大的抗彎構件(又稱剛性構件，通常為梁、拱或桁架)和高強度的弦(又稱柔性構件，通常為索)以及連接兩者的撐桿組成;通過對柔性構件施加拉力，使相互連接的構件成為具有整體剛度的結構。

天津站無站臺柱雨棚的主體屋架結構就是張弦梁結構，其最大跨度為48.525m。雨棚分東西兩部分，西側雨棚寬度為147m，長度為213m，縱向設溫度縫一道，分為2個溫度區段;東側雨棚寬度為253.5m，長度213m，縱向設溫度縫兩道，分為3個溫度區段。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定由屋面的支撐系統保證。剛架梁為張弦梁，柱為圓鋼管混凝土柱，規格為。柱頂標高9.5m，通過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軸形式實現理想鉸接。分叉柱為圓鋼管，直接過渡成錐形鋼管。張弦梁屋架中上弦為拱形桁架結構，拱頂標高15.9m。矢高3.1m。預張力索為低松弛冷拔鋼絲束，強度設計值1670N/mm2，直接充當屋架的下弦，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“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。索一方面充當受拉的下弦結構單元，另一方面又通過豎腹桿對剛性的上弦施加了與主要外部荷載作用效應相反的預張力，提高了上弦構件的承載能力。剛性的上弦截面提供了結構的豎直向平面內剛度;下弦鉸接節點平面外的剛度由下弦預張力剛度予以保證，結構體系為半剛性結構。這種索與拱形桁架的組合結構體系組合了索結構和拱結構兩種結構的優點。索增加了拱的平面內穩定性能，同時又減少了拱的水平推力;拱提高了索的平面內剛度，有效減小荷載作用下，結構的變形。與常規剛性屋蓋相比，用鋼量大大節省。由于整個屋面體系由平面屋架通過縱向交叉支撐連接形成的，結構在豎向荷載作用下，可以取一榀結構進行分析。下面僅以GJ1為例介紹該體系初始張拉力確定、荷載作用下的力學性能，動力特性和縱向地震作用下取整個結構體系計算。所采用的結構分析軟件為MIDAS。GJ1計算模型如圖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)，拱形桁架上節點荷載: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考慮，且大于雪荷載，故取0.5kN/m2。

③風荷載:基本風壓:0.5kN/m2，風壓高度變化系數0.74，陣風系數1.84，體型系數-1.3、-0.7，左半跨-0.89kN/m2，右半跨-0.48kN/m2

(3)地震荷載:設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，設計地震分組第一組，建筑場地類別為III類。

(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 初始狀態分析

屋蓋結構為半剛性結構體系，初始狀態預張力的分布和大小對結構的整體剛度、穩定、極限承載力至關重要。索結構初始張拉力的確定需滿足以下幾點要求:

(1)初始張拉力施加完成之后，結構幾何與圖紙幾何盡可能接近

(2)預張力的大小和分布應使結構在荷載作用下能滿足規范規定的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求，索不出現松弛。本工程結構分析時假定零狀態幾何為圖紙幾何。經多次試算，最后確定在考慮結構自重情況下，下拉索作為主動索施加至235KN的預張力。

初始狀態單元軸力分布如圖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。

幾乎沒有彎矩。結構自零狀態至初始狀態的變形如圖4所示。

相對于圖紙幾何，拱梁跨中下撓6mm。這樣的偏差是建筑師所能接受的范圍。

3 動力特性

結構動力特性的計算應建立在荷載狀態的基礎上，結構的剛度應取施加初始狀態預張力后、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，計算結果如圖5所示。

計算所得結構的第一階振型為整體縱向振動，周期為1.69S，對應的質量參與系數為83%，與III類場地的卓越周期相差較遠，因此屋蓋結構地震反應并不劇烈，同時結構平面外剛度較弱，合理的屋面支撐體系布置和剛度是至關重要的。

4 荷載狀態分析

在荷載組合1:(恒+活+升溫)作用下，結構向下位移為42mm(相對于初始狀態)。如圖6所示，

按照《鋼結構設計規范》GB50017的要求，對于大跨度無吊車和無吊頂屋蓋的撓度容許值可取跨度的1/400，即L/400=113mm，最大位移滿足要求。

5 驗算結果

最大穩定應力如表1所示。

6 本人通過了該工程的參與設計，對索結構的剛度、索結構三種工作狀態頗有心得，寫出來想與大家共同學習

6.1 索結構的剛度

索結構不同于常規結構的地方就是拉索初始預應力對結構整體的剛度貢獻。同樣一根索，索中拉力不同，其剛度也不同。拉索是整體結構中的一根構件，其對結構整體剛度的貢獻分為兩部分: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度鋼絲或鋼絞線按平行或半平行方式扭絞而成。高強度鋼絲的直徑一般為5mm和7mm。②鋼絲繩索用高強度鋼絲直徑小于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，設計中可忽略。

6.1.2 幾何剛度

幾何剛度是由于拉索中預應力對結構產生的剛度貢獻，通常講索對結構的剛度貢獻就是指這部分剛度。剛度貢獻包括截面剛度和應力剛度兩方面。這兩種剛度使得索結構具有與傳統結構不同的兩個特點。(1)索結構中可以存在機構或瞬變自由度。索單元的截面剛度僅是軸向的，但其應力剛度是空間三向的，索結構中可以容許截面剛度為零而應力剛度非零的機構自由度或瞬變自由度存在。(2)索單元的截面剛度是常數，應力剛度是變化的。索只能受拉，不能受壓，受壓就退出工作，所以，索結構本質上是一種非線性結構體系，但索結構又根據不同的自由度方向存在不同比例的截面剛度和應力剛度，可分為剛性結構、半剛性結構、柔性結構。當索結構中各個自由度方向均存在截面剛度，主要特征呈線性變化，此種索結構為剛性結構;當索結構中大部分自由度方向僅存在應力剛度，剛度較小并呈現明顯的非線性特征，此種索結構為柔性結構;當索結構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力剛度時，此種索結構為半剛性結構。

6.2 索結構的三種狀態

索的幾何剛度怎樣實現呢？索結構分析中有三種狀態:零狀態、預應力狀態(初始態)、荷載狀態(工作態)。(1)零狀態是受力分析時剛建好的模型，搭設支撐體系，安裝鋼結構構件和被動索，此時的狀態為零狀態(2)預應力狀態(初始狀態)就是結構受外荷載之前，張拉主動索，撤除支撐體系，形成自平衡的預張力結構體系的真實狀態;也就是建筑施工剛完畢之后的狀態。此時的索是繃緊的，此時的索力就叫拉索的預應力。這個狀態結構是穩定的、平衡的，在此基礎上施加一定的荷載之后，結構的變形一般也不會太大，和常規結構幾乎沒有什么不同。(3)荷載狀態是在預應力狀態的基礎上，結構承受外荷載的狀態。這三個狀態之間的關系為:零狀態是找到預應力態的基礎和手段;預應力態是荷載態的基礎，結構必須在預應力態上才能施加外荷載。

零狀態包含“分析零狀態”和“施工零狀態”兩種狀態。

“分析零狀態”是在結構找形分析之前，建立的用于找形分析的初始幾何模型。在這個零狀態基礎上給拉索一定的初始條件，利用非線性有限元法，通過找形，得到平衡的“預應力狀態”，也就得到了索結構的幾何剛度。

“施工零狀態”是施工單位根據設計院提供的預應力態，把各構件連接起來，還沒有開始張拉的狀態。待張拉完畢，拉索的預應力達到設計值后，就得到了預應力狀態。

可以看到下面的關系:

(1)分析零狀態→計算→預應力狀態;

(2)施工零狀態→張拉→預應力狀態;

分析零狀態和施工零狀態最終都是得到了預應力狀態，但是他們兩個卻是完全不同的兩個概念。

施工單位根據設計院提供的索長和預應力大小等具體數值(預應力平衡狀態下的數值)，也就是拉索拉緊狀態下的數據，反算拉索松弛狀態下的長度，即下料長度。然后將下料長度的索運至施工現場進行施工。利用下料長度的索，拼裝起來的結構就是施工零狀態。

施工零狀態是很難用軟件計算出來的，因為很有可能有些拉索在張拉之前，處于極度松弛狀態，就像一根繩子堆在地上一樣，這種狀態是沒法用有限元方法計算的。所以，分析零狀態只是一種處理手法，沒有實際工程意義;而施工零狀態是施工張拉前的結構狀態，具有實際工程意義。