索―桁架结构的设计与施工

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【摘 要】结合工程实例，介绍索―桁架结构的设计与施工过程。指出该类结构在设计和施工过程中应该注意的几个问题。

【关键词】索―桁架结构；非线性分析；施工阶段分析

1 项目概况

广东省东莞塘厦体育中心项目位于广东省东莞市塘厦镇行政文化新区，按国家一级体育建筑标准兴建，占地面积8万平方米，建筑面积18000平方米，总投资达1亿元。馆内设有标准配套的篮球场、游泳池、健身房、训练场、电视直播室、新闻室、医疗室、休息室及办公区，可容纳观众约5000人。是集体育竞赛、群众体育、文化娱乐于一体，目前东莞规模较大、功能最为齐全的现代化体育活动中心。

主建筑长173米，宽72米，建筑造型层层递进，犹如一艘即将扬帆远行的轮船，外墙面为幕墙，整个建筑富有层次感和鲜明的时代特征。（图1.1）

2 结构选型

本工程主体为三层钢筋混凝土框架结构，上部屋盖为钢结构。按照建筑功能和建筑体形划分为A、B、C三个区，分别采用不同的结构形式。结构平面见图2.1。

各区都是独立的曲面管桁架，其中A区和C区布置有预应力拉索。A区悬挑长度为40米，在距悬挑边12米的位置设置拉索连接桁架上弦和钢管柱，两侧下弦用稳定索与地面相连，为了平衡钢管柱所受的水平拉力，在钢管柱与后排的格构柱间也用拉索连接。由于造型的需要，C区也设置拉索连接桁架上弦和钢管柱。结构整体计算模型如图2.2。A区属于索―桁架结构，本文主要以A区为例展开论述，计算模型如图2.3，边榀桁架计算简图如图2.4。

3 结构分析与设计

3.1 设计荷载取值

依据《建筑结构荷载规范》，并结合本工程的实际使用功能要求，各荷载标准值如下：

3.1.1 恒荷载 夹心板屋面恒载为0.2KN/m2。带玻璃采光顶部分屋面恒载为0.5KN/m2。

3.1.2 活荷载 屋面活载取0.5KN/m2。屋面吊挂活载取0.3KN/m2。

3.1.3 风荷载 屋面不同高度的风载取值如下：

对墙面则可根据规范按迎风面、背风面分别取值计算，再导算至相应的节点上。

3.1.4 温度荷载 设计时温度荷载取为±20℃。

3.1.5 地震荷载 东莞抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。

3.2 荷载组合

根据《预应力钢结构技术规程》，预应力钢结构按承载能力极限状态计算时的基本组合应采用下列设计表达式：

3.3 构件规格及材质

本工程综合考虑各种因素后，主要钢材采用Q345B级钢。所用的钢管规格有：桁架弦杆245x10；桁架腹杆159x6、180x10等多种；塔柱800x20和600x18；格构柱600x18。；

预应力索索体选用热挤聚乙烯护层扭绞拉索，主受力索规格为φ5x187，抗风索规格为φ5x301，拉索抗拉强度不小于1570Mpa。

3.4 设计采用的软件及结构分析方法

在进行计算分析之前，首先要明确采用非线性分析的柔性钢结构体系的三个状态：

零状态：零状态时的结构是加工放样后的索段和构件的集合体。零状态时结构不存在预应力，不承受外部荷载和自重的作用。

初始状态：指结构仅在预应力和自重作用下的自平衡状态。不考虑外部荷载的作用。

工作状态：指结构在外部效应作用下所达到的平衡状态。

将非线性索单元平衡方程和非线性桁架单元、非线性梁单元的平衡方程组装后可得到预应力结构体系的总体平衡方程，其一般表达式为：

求解该非线性平衡方程可得到结构荷载-位移的全过程曲线以及结构的稳定极限承载力。

对于大跨度长悬挑索―桁架结构要考虑空间协同作用，在计算时需要整体建模、整体分析。本工程主要是采用有限元分析软件MIDAS对整体结构进行几何非线性分析，并进行结构设计，用3D3S对设计结果进行校核。

3.5 静力分析结果

4 施工控制

4.1 施工阶段分析

索―桁架结构需要对施工过程进行分析计算，其主要原因在于：第一，这种结构一般体型较大，刚度相对较柔，在分析中可以归结为大位移小应变的弹性问题来分析，需要采用非线性有限单元法来求解；第二，对于施工过程的计算本身来说，不同的施工阶段和施工内容对应于不同的结构图式，从计算模型的角度分析，在结构施工的不同阶段，结构体系在动态变化――结构构件的增加或者减少、杆件约束的变化、荷载的增加或减少、预拉力的施加等等――这些都导致了结构的超静定次数、结构内力和位移的不断变化，而且每一步施工过程计算必须在上一步施工过程计算所得到的内力和位移的基础上进行才能确保结构的安全度。

以图2.3为模型，利用有限元分析软件MIDAS的施工阶段分析模块进行非线性有限元的计算分析。

4.1.1 设计索力

预应力索的编号如图4.1所示。拉索所用材料规格及设计索力如表4.1所示。

4.1.2 施工步的确定

经过多次对比计算分析，本工程预应力拉索的施工分为两期进行。一期在管桁架安装完成后、屋面板安装之前进行，施工最大拉力为设计预拉力的50%，张拉时由脚手架支撑整体结构；二期在屋面板安装完成并且脚手架拆除后方可分批、同步、分多次张拉剩余设计预拉力的50%。

拉索编号及张拉分批见图4.2。各索在各张拉阶段的张拉力，见表4.2。

注:--表示该阶段该索不张拉.

4.1.3 各施工步关键节点位移图表

关键节点的选取见图4.3。各关键点在各施工步的累积位移见表4.4。

注：1、表中阶段WM为第一阶段拉索预拉力施加完毕，屋面及檩条安装以后，第二阶段拉索预拉力施加之前，结构的位移；2、表中阶段1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、6-1为施加第一批拉索预拉力，阶段1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2为施加第二批拉索预拉力；3、表中每一阶段的位移值均为相对于结构初始状态的位移值。

4.2 施工方案

4.2.1 拉索张拉的总体原则

（1）拉索张拉控制采用双控原则：控制索力和结构变形，其中以控制索力为主。

（2）拉索张拉原则：同时、同步、分批张拉。

（3）拉索张拉方式：一端张拉。

4.2.2 张拉设备

A区拉索张拉一端张拉，共需要千斤顶20台（10套），并配合专用的张拉夹具，千斤顶在正式使用前必须在有资质试验单位的试验机上进行标定。

4.2.3 拉索张拉要点

（1）张拉时每批分六阶段：020%40%50%70%90%100%。

（2）每次张拉要求批内拉索同时、同步张拉。

（3）辅助结构关键点位移监测。

4.2.4 施工顺序

总体施工顺序为：安装脚手架安装钢柱拼装管桁架安装拉索并预紧首期张拉拉索安装屋面檩条安装屋面板拆除脚手架二期张拉拉索。

具体施工步骤如下：（1）塔柱在地面焊接以后，吊装，与混凝土柱连接；（2）单榀主桁架组装；（3）次桁架组装；（4）吊装主桁架至设计高度，调整主桁架至设计的位置、角度以后，与塔柱焊接，在主桁架下搭设脚手架承担全部桁架自重；（5）所有主桁架吊装完毕后吊装次桁架，并按设计要求进行组装；（6）张拉悬索。

5 设计及施工过程中需要注意的几个问题

5.1 支座的假定一定要与工程实际相符。对于直接支撑在钢筋混凝土柱上的支座应该假定为弹性约束，弹簧刚度系数Κ按下式确定：

Κ=F/δ

式中，F――弹簧刚度系数 计算方向上的单位力（kN）；

δ――在单位力下混凝土柱顶的位移（mm）。

5.2 杆件应力及节点位移、构件挠度要满足规范要求并且要有足够的安全储备。

5.3 关键节点的设计非常重要，要保证杆件的破坏先于节点。除了采取构造措施加强以外，还应考虑各种不利情况，预留足够的安全储备，真正做到“强节点、弱杆件”。

5.4 需通过多次计算分析确定拉索的最佳作用位置、预应力张拉控制值和有效预应力值，悬索预应力张拉控制值扣除各种应力损失之后实际施加到结构上的预应力为有效预应力。

5.5 对于在地震、风等动力荷载作用下拉索的的受力性能、索张力的变化、索的自振和共振以及防护措施要在实际工程中不断总结。

5.6 加强施工阶段的管理不仅关系到安全，也关系到建筑效果的实现。在施工过程中需要对关键节点的变形进行适时观测，并严格观测结果的记录、整理和存档。

5.7 每一施工步结束均需持续本荷载级半小时并确定达到设计预拉力方可进行下一施工步的加载。

参考文献

[1]CECS 212:2006 预应力钢结构技术规程 [S]．北京：中国计划出版社，2006.

[2]GB50017―2003 钢结构设计规范 [S]．北京：中国计划出版社，2003.

[3]GB50009―2001建筑结构荷载规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]GB50011―2001建筑抗震设计规范 [S]．北京：中国建筑工业出版社，2001.

[5]陆赐麟等编．现代预应力钢结构 [M]．北京：人民交通出版社，2003.11.

[6]张其林编．索和膜结构 [M]．上海：同济大学出版社，2002.

作者简介：

杨志刚，男，1976年8月生，硕士，工程师

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