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结构桁架!大跨度拱桁架结构方案优化

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(太原理工大学建筑与土木工程学院,山西 太原 030024)

摘 要:文章以陕西省榆林市漠海丽江餐饮有限公司餐饮中心生态种植区的钢屋盖结构为研究对象,根据甲方对结构空间、用钢量和对下部结构负荷小的要求,首先用设计程序3D3S8.0对结构进行了初步设计,定出了支座间不拉索和杆、拉索和拉杆3个方案,然后用分析软件ANSYS研究其桁架静力和动力特性,并计算了拉索方案预应力的合理取值,计算结果表明:拉杆方案的用钢量、竖向挠度小且施工难度低,因此,工程中采用了拉杆方案.

关键词:张弦拱桁架;索;拉杆;预应力分析;屋盖结构选型

中图分类号:TU758 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)05-0061-02

1.工程概况

本工程为陕西省榆林市漠海丽江餐饮有限公司餐饮中心生态种植区的钢屋盖结构,屋盖结构主体采用钢管立体桁架结构,跨度60 m,柱距8.1 m,设计基准期为50年,设计使用年限为50年,建筑结构的安全等级为二级,结构重要性系数r0等于1.0.根据GB50223—2008《建筑结构设防分类标准》和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》的要求,本地区抗震设防烈度为6度(0.05 g),设计地震分组为第一组,地类别为Ⅲ类,特征周期Tg等于0.45 s.根据GB50009—2001《建筑结构荷载规范》的要求,本地区基本风压:W0等于0.4 kN/m2,基本雪压:S0等于0.25 kN/m2,温度作用:±30℃.屋面恒荷载:上弦0.60 kN/m2(不含自重),屋面活载:0.5 kN/m2.

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2.屋盖结构方案的制定

由于甲方要求结构外形简单、流畅,空间大,且该工程跨度大、体量大,因此选择合理的网架类型是保证结构方案安全经济合理的关键.为减少设计工程量,利用国内成熟管桁架设计软件3D3S8.0近似模拟网架的实际工作条件.考虑到建筑和传力方式的要求,选择了管桁架的结构形式,见图1.图1(Ⅰ)的结构在支座之间不拉索和杆,该结构具有强度高,重量轻等良好的力学性能,结构外形简单、流畅、空间大、施工难度低、节约材料等优点.图1(Ⅱ)的结构在支座之间拉6X37-φ47.5有机芯1700(公称抗拉强度)型钢丝索.该结构可以充分发挥柔性和刚性两类材料的受力特性,通过对索施加预应力来提高结构的刚度,给结构提供跨中弹性支撑来改变弯矩的分布方式达到降低弯矩峰值的目的,利用结构的自平衡特性减小支座间的水平推力.图1(Ⅲ)的结构在支座之间拉φ127×6.0的热轧无缝钢管,该结构结构刚度大、形状稳定性好,可以抵抗风吸力,同样也可以减小支座间的水平推力.

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3.结构方案的比较分析

3.1 计算模型及其参数

已有的研究成果表明:拱桁架结构本身为平面结构体系.因此,文章选用一榀拱桁架为计算模型.

结构的跨度为60 m,矢高为7.5 m,横截面为倒三角形.根据结构设计要求,截面的选取见表1,材料为Q235B钢,弹性模量:E等于2.06E11N/m2,屈服极限:σs等于235E6N/m2,张弦拱桁架支座为一端刚接,一端铰支,文章采用ANSYS程序进行分析.拱桁架的上弦、下弦、腹杆和撑杆采用LINK8模拟,撑杆与下弦、拉索之间视为铰接,拉索方案的拉索采用LINK10模拟,而拉杆方案的拉杆采用BEAM188模拟.

3.2 单榀拱桁架的受力分析

3.2.1 静力分析

静力分析是结构的基本分析,在该分析中,着重考虑结构的工作状态,即考虑了结构的自重、恒载、活载、风载,将荷载以集中力的方式作用在上弦各个节点上,其值分别为1.082 kN、1.586 kN、15.902 kN、15.062 kN、16.406 kN.

(1)Ⅰ方案拱桁架支座为两端铰支,其最大位移出现在跨中,值为54.2 mm,下弦杆的内力最大,值为101 MPa.

(2)Ⅱ方案中,考虑了索的预应力,通过调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预应力,对结构初始形态预起拱,《钢结构设计规范》允许预起拱值为“1.0恒+0.5活”产生的变形,按此规定,几乎所有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载下产生的弹性位移进行控制,而通过结构的初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的变形性能安全设计目标.但此时,结构的绝对位移值超过250 mm,如此大变形对屋面围护次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安全性能将产生严重不利影响.参考大量的工程实例,预起拱值在自重作用下,以结构弹性位移约达到跨度的1/400 L为基准试算求得.预应力取值为800 MPa时,起拱值176 mm,下弦杆的应力最大,值为82.0 MPa.将800 MPa的预应力作为初始预应力加到结构上,在正常使用状态下,其最大位移出现在跨中,值为68.9 mm,上弦杆的内力最大,值为234.6 MPa.

(3)Ⅲ方案中,将拉索换为拉杆,其最大位移出现在跨中,值为87.8 mm,下弦杆的内力最大,值为91.8 MPa.为了方案的优选,文章将3个方案的用钢量、结构最大反力、挠度、施工难易度等经济技术指标列表,其结果见表2.

3个结构方案的最大位移均出现在拱桁架的跨中,其最大位移也符合规范对挠度的控制标准.比较表2中3个方案的经济技术指标可以看出:Ⅰ方案的用钢量和支座反力最大,而这恰恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小的要求相违背;Ⅱ方案在索施加预应力的作用下,用钢量最省,如对索施加预应力来达到控制结构挠度的要求,则所施加的预应力较大,其索力约为670 kN,上弦杆的断面也相应的增大,而且,施工难度比较大;Ⅲ方案的用钢量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之间,且施工也不难,挠度也满足规范的要求.

3.2.2 模态分析

结构的自振特性是结构动力的基本性质,也是动力分析的基础.对结构进行动力特性分析,取前8阶振型以保证参与质量达到90%以上,频率值见表3.

由表3可见,拉杆方案的基频远大于拉索方案的基频,则说明Ⅲ方案的面内刚度大于Ⅱ方案的面内刚度,抗震性能良好.

4.结论

通过对张弦桁架的受力分析,可得出如下结论:

(1)通过对管桁架支座间拉杆可以大大降低结构支座处的水平反力,节约钢材.

(2)管桁架支座间拉杆,能有效减小竖向挠度且施工难度小,在类似工程的研究作为参考.

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