多重荷載作用下大跨度屋蓋設計及選型研究*

郭 聰 肖 虹 蔣 熙 黎春榮 翁林濱

（湖南城市學院，湖南 益陽 413000）

隨著科技的日益發展，人們生活需求的提高涌現出越來越多的大跨度空間結構。大跨度空間結構作為當今世界發展最快的結構類型之一，代表著一個國家建筑科技的總體水平。其選型對于建筑的美觀性、經濟性和施工的難易性至關重要。但大跨度空間結構設計的過程中, 還存在著一些問題急需解決，需要對其進行設計上的優化，使大跨度空間結構設計更加適用、可靠與經濟。大荷重比的輕型結構適用于工業化建造的逐步受到關注。輕型結構建筑建立在對結構體系和材料研究的基礎上，使建筑向輕質化、快速化發展成為可能，能夠提高建造效率及材料利用率，減少對環境的負面影響。

1 模型制作與優化

大跨度屋蓋結構對風荷載較敏感，在建筑物使用中容易因過大的風荷載導致屋蓋破壞。大跨度屋蓋在強風的作用下可能出現的破壞形態主要包括：維護結構破壞、剛性結構的累積疲勞損傷破壞和柔性結構可能出現的氣彈失穩破壞[1][2]，因此制作模型時尤其要考慮到模型承受水平荷載的能力。

1.1 模型方案選擇

方案1由四個柱子制作成一種倒“V”型的樣式，見圖1，柱底略微削成一定的角度，使其向外傾斜，使受力更加合理。四個柱子之間增加橫向聯系，連接彼此，提高結構的整體性。在加豎向靜荷載時，豎向撓度變形過大，拉索撕裂，模型整體垮塌。方案2采用內斜撐的形式，見圖2，在橫向聯系與柱子的結點處，做了小斜撐，使其局部加強，錨固端處截面厚度增大，更好地應對應力集中的問題。

圖1 方案1

圖2 方案2

選型后方案三采用“田”字形箱型柱子，見圖3，相當于在柱子內部增加了肋，此種截面形式，很大程度上提高了柱子的軸向承壓荷重比，也提高了柱子的抗彎強度和抵抗壓桿失穩的能力增強了模型整體的剛度、強度和穩定性。

圖3 方案3

2 拉索抗拉性能試驗

本次模型采用長條形拉索（如圖4）作為模型主要的承力構件。實驗研究紙張的受拉性能，并確定拉索的極限抗拉強度值。加載設備為WDW微機控制電子萬能試驗機。主要用于金屬、非金屬以及構件進行拉伸、壓縮、彎曲、剪切、剝離、撕裂等試驗。加載范圍50kN～1000kN。

圖4 拉索2、3、4層幾何尺寸/mm

對紙質拉索進行單向拉伸破壞試驗，試件分為長度300mm，寬度15mm，分為2、3、4、5層四個等級，每個等級各取三個樣本；另有三個樣本，試件長度300mm，寬度18mm，層數為3層。試件的平均抗拉強度值見表1。對于寬度、長度一定的紙帶，極限抗拉強度和層數呈線性變化，即紙帶拉伸破壞所需的承載力與其拉伸的有效橫截面面積成正比關系。

表1 試件參數

圖5 紙帶拉力-變形曲線

從圖5紙帶拉伸力-變形曲線中可以看出紙質材料的拉伸曲線基本上是一條微彎的曲線，沒有明顯的屈服現象，試件從開始直到拉斷，變形都很小，紙張的層數的變化對材料的延伸率影響不大，屬于脆性材料。

根據有關試驗研究表明，拉索的極限應力與有效橫截面積有關，且拉索在偏心拉力的作用下，偏心距會削弱試件的承載能力，試件長度越小，偏心距對極限承載力的影響越明顯，試件加長，會削弱偏心距對極限承載力的影響，因此，在結構設計中，需要加強對拉索構件偏心問題的注意。

2.1 模型建立與計算

對方案三選型，采用Midas Civil 軟件進行建模，見圖6。結合實際中主要影響大跨度屋蓋結構的橫向風荷載與豎向永久荷載，此試驗采用了給模型施加20kg豎向荷載和水平沖擊荷載。

圖6 Midas Civil建模圖

2.2 模型受力計算

如圖7 所示，由于模型結構形式的特點，使得1、2 號柱子梁單元會承受很大的彎矩，1號單元的彎矩-3401.89N·mm，2號單元的彎矩-3390.96N·mm；圖8 和圖9 所示，1-4 號柱子梁單元的最大軸力為1號單元所承受的-1149.35N，加載試驗結果表明，主要受力和發生位移的為1號單元與2號單元，可適當增加該部位截面，提高模型抵抗壓桿失穩的能力。

圖7 柱子（梁單元）Myz圖

圖8 柱子（梁單元）Fx圖

圖9 位移變形圖

3 結語

對于多重荷載作用下大跨度屋蓋結構選型及受力情況探索研究，我們從桿件截面分析、模型方案選擇到桿件抗拉、壓試驗，物理建模，受力計算，經歷了一個完整的工程項目。在反復的設計與試驗中，通過對于模型不斷完善與優化，獲得了以下認識：①對于大跨度屋蓋結構可采用剛拉索結構，能極大的節約成本；②受風荷載較為嚴重的一側，應增加拉索的強度，加強結構的穩定性。