索—拱體系、索—桁架體系在大跨度房屋中的應用

摘 要：從某42m跨度單層廠房輕鋼結構屋蓋的設計過程，探討大跨度輕型屋蓋房屋采用預應力鋼結構索-拱體系、索-桁架體系的可行性和經濟性。

關鍵詞：單拉桿 拉索 預張拉索 張弦梁 張弦桁架 索-拱體系 索-桁架體系

由剛性的拱形梁、拱形桁架和拱腳處的柔性的拉索（拉弦）組成的索-拱結構、索-桁架結構具有很大的整體剛度，可有效低抵抗結構平面內的垂直荷載，在大跨度結構工程中運用有很好的經濟性。在實際工程中，較大跨度的輕鋼屋架常在其下端設置單拉桿，用拉桿來平衡屋架兩端向外的推力（如圖一），這就是最簡單的索-拱結構或索-桁架結構，“單拉桿”從廣義上講即為拉索——拉弦。

在索與拱形梁、拱形桁架之間設置撐桿，并對拉索進行預張拉，可形成張弦索-拱結構、張弦索-桁架結構——統稱張弦結構（張弦梁、張弦桁架）。張弦索-拱體系、張弦索-桁架體系在大跨度房屋中的應用已很廣泛，如北京2008年奧運會國家體育館屋頂雙向張弦結構（雙向張弦桁架），浦東國際機場航站樓82.6m張弦梁，廣州國際會議展覽中心126m跨張弦桁架（圖二），哈爾濱國際會展體育中心128m跨張弦桁架，深圳會展中心126m跨張弦梁。

大跨度的拱形構件——拱形梁、拱形桁架在豎向荷載下，拱腳會產生很大的推力，若無拉索或下部結構不能平衡拱腳推力，拱腳推力被完全釋放，拱形構件——拱形梁、拱形桁架只能依靠自身的剛度和強度承受豎向荷載下而成為純受彎構件，拱形梁、拱形桁架的截面及材料用量將很大。而索-拱結構、索-桁架結構中，拉索或預張拉索可以有效平衡拱形梁、拱形桁架的拱腳推力，使拱形梁、拱形桁架成為受壓構件、或壓彎構件，因此，拱形梁、拱形桁架可以設計得很經濟，且由于整個屋架對下部結構基本上不產生推力，下部結構也可以設計得較簡單、較經濟。在索-拱結構、索-桁架結構中，拉索可采用高強鋼絲索、高強鋼棒、高強扁鋼，材料用量較少且加工方便。

在大跨度的公共建筑、廠房建筑工程中，應用索-拱體系、索-桁架體系，具有結構尺寸小、屋面剛度大、結構變形小、結構重量輕、結構材料節省、造價低等優點。可根據建筑要求的不同跨度，采用不同型式的索-拱結構、索-桁架結構，35m以下跨度索-拱結構、索-桁架結構的下弦索可采用高強扁鋼、型鋼，下弦索不需張拉。35m～45m跨度索-拱結構、索-桁架結構的下弦索宜采用高強鋼絲索、高強鋼棒，下弦索可采用簡易張拉工具張拉（如利用高強鋼絲索、高強鋼棒端部的螺母或專門設置花籃螺栓，由螺旋力進行張緊下弦索），也可采用千斤頂分階段張拉下弦索，形成預應力索-拱結構、索-桁架結構。45m以上跨度的索-拱結構、索-桁架結構，可在索與拱形梁、拱形桁架之間設置撐桿，并對拉索進行預張拉和按安裝階段張拉，形成張弦索-拱結構、張弦索-桁架結構。

某單層廠房，由于使用方的要求，設計為開間7.5m ，跨度42m。前期設計采用每開間柱頂一榀單向桁架，桁架截面為邊長2.3m倒三角形（不變截面），桁架由鋼管拼接，節點全部采用螺栓球連接，單榀網架重量約5.1噸。采用螺栓球節點鋼管桁架的優點是每節鋼管均可按受力要求配管，鋼管用量少，方便運輸。但鋼管型號多，螺栓球及高強螺栓需采用高強鋼并需作專門加工，并需增加封板、錐頭用鋼量，且螺栓球節點鋼管桁架加工制作及安裝費用高，需由專門的網架生產廠家和公司施工。針對這一情況，我們對該廠房的結構形式進行了多方案設計計算，并進行了用鋼量、經濟性及結構美觀性的比較分析，從中選擇最優方案。以下對該廠房42m跨度的屋架結構設計過程作簡要介紹。

方案一，屋架采用焊接變截面H型鋼梁，由于屋架跨度大，導致鋼梁截面尺寸過大，其用鋼量為5.5噸，估算造價約為4.12萬元/榀（概算價0.75萬元/噸），經濟性較差，屋架外觀差不受建設方接受。

方案二，采用變截面倒三角形鋼管桁架，倒三角形截面寬度不變，截面高度由柱邊處1.0米變化到跨中為2.0米。由于建筑高度要求屋架上弦為支座，原設計不變截面2.3m邊長倒三角形桁架柱邊下掛約2.0米，外觀及廠房局部使用空間受影響。如采用螺栓球節點鋼管桁架用鋼量5.1噸，估算造價約為6.12萬元/榀（概算價1.2萬元/噸），如采用主管直通、腹管與主管焊接式鋼管桁架，則用鋼量5.2噸（減少鋼管型號，用鋼量略大），估算造價約為4.99萬元/榀（概算價0.96萬元/噸）。變截面倒三角形鋼管桁架腹桿的角度每根不同，加工制作有一定的難度。

方案三，采用1.2米邊長倒三角形鋼管桁架加拉索及撐桿形成張弦索-桁架結構，用鋼量3.2噸，估算造價約為3.52萬元/榀（概算價1.1萬元/噸）。但因廠房二層層高僅4.0米，張弦索-桁架的下弦索中部需低于柱頂約1.2米，大跨度廠房的中部凈高2.8米不滿足建筑要求，且鋼管桁架與拉索之間的撐桿建設單位覺得視覺不好。該方案為最經濟的單跨方案，卻不可行。

方案四，將42m分為兩個10.5m邊跨及一個21m中跨，即10.5m+21m+10.5m的三跨，設兩個中柱。用鋼量3.0噸，估算造價約為2.88萬元/榀（概算價0.96萬元/噸）。該方案造價最經濟，但加設的兩個中柱影響內部使用。

方案五，采用1.6米邊長倒三角形鋼管桁架上弦支座間設雙拉索（直線拉索），拉索選用高強鋼絲索由冷鑄錨具連接在高強鋼螺桿上，可采用螺旋力擰緊螺母張緊拉索，也可采用千斤頂分階段張拉下弦索，形成預應力索-桁架結構，鋼管桁架可分四段制作采用高強螺栓法蘭盤拼接連接現場安裝，高強鋼絲索穿過開洞鋼球支座雙螺帽固定。廠房的中部凈高4.3米滿足建筑要求（桁架支座高于柱頂0.3米）。用鋼量3.5噸，估算造價約為3.85萬元/榀（概算價1.1萬元/噸）。該方案建筑外觀好，制作安裝方便，可施加預應力減少桁架撓度及柱頂推力，造價適中，每榀桁架的造價約低于螺栓球節點鋼管桁架（原廠房桁架）2.3萬元，用鋼量節約1.6噸/榀。

經過對結構受力合理性、經濟性、實用性、施工可操作性等方面的對比，新設計廠房最終采用了方案五所述的索-桁架結構。

參考文獻：

[1] 協會標準《預應力鋼結構技術規程》CECS212：2006

[2] 沈世釗，《懸索結構設計》（第二版），中國建筑工業出版社

[3] 張其林，《索和膜結構》，同濟大學出版社

[4]李星榮，《鋼結構連接節點設計手冊》（第二版），中國建筑工業出版社