索―拱体系、索―桁架体系在大跨度房屋中的应用

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摘 要：从某42m跨度单层厂房轻钢结构屋盖的设计过程，探讨大跨度轻型屋盖房屋采用预应力钢结构索-拱体系、索-桁架体系的可行性和经济性。

关键词：单拉杆 拉索 预张拉索 张弦梁 张弦桁架 索-拱体系 索-桁架体系

由刚性的拱形梁、拱形桁架和拱脚处的柔性的拉索（拉弦）组成的索-拱结构、索-桁架结构具有很大的整体刚度，可有效低抵抗结构平面内的垂直荷载，在大跨度结构工程中运用有很好的经济性。在实际工程中，较大跨度的轻钢屋架常在其下端设置单拉杆，用拉杆来平衡屋架两端向外的推力（如图一），这就是最简单的索-拱结构或索-桁架结构，“单拉杆”从广义上讲即为拉索――拉弦。

在索与拱形梁、拱形桁架之间设置撑杆，并对拉索进行预张拉，可形成张弦索-拱结构、张弦索-桁架结构――统称张弦结构（张弦梁、张弦桁架）。张弦索-拱体系、张弦索-桁架体系在大跨度房屋中的应用已很广泛，如北京2008年奥运会国家体育馆屋顶双向张弦结构（双向张弦桁架），浦东国际机场航站楼82.6m张弦梁，广州国际会议展览中心126m跨张弦桁架（图二），哈尔滨国际会展体育中心128m跨张弦桁架，深圳会展中心126m跨张弦梁。

大跨度的拱形构件――拱形梁、拱形桁架在竖向荷载下，拱脚会产生很大的推力，若无拉索或下部结构不能平衡拱脚推力，拱脚推力被完全释放，拱形构件――拱形梁、拱形桁架只能依靠自身的刚度和强度承受竖向荷载下而成为纯受弯构件，拱形梁、拱形桁架的截面及材料用量将很大。而索-拱结构、索-桁架结构中，拉索或预张拉索可以有效平衡拱形梁、拱形桁架的拱脚推力，使拱形梁、拱形桁架成为受压构件、或压弯构件，因此，拱形梁、拱形桁架可以设计得很经济，且由于整个屋架对下部结构基本上不产生推力，下部结构也可以设计得较简单、较经济。在索-拱结构、索-桁架结构中，拉索可采用高强钢丝索、高强钢棒、高强扁钢，材料用量较少且加工方便。

在大跨度的公共建筑、厂房建筑工程中，应用索-拱体系、索-桁架体系，具有结构尺寸小、屋面刚度大、结构变形小、结构重量轻、结构材料节省、造价低等优点。可根据建筑要求的不同跨度，采用不同型式的索-拱结构、索-桁架结构，35m以下跨度索-拱结构、索-桁架结构的下弦索可采用高强扁钢、型钢，下弦索不需张拉。35m～45m跨度索-拱结构、索-桁架结构的下弦索宜采用高强钢丝索、高强钢棒，下弦索可采用简易张拉工具张拉（如利用高强钢丝索、高强钢棒端部的螺母或专门设置花篮螺栓，由螺旋力进行张紧下弦索），也可采用千斤顶分阶段张拉下弦索，形成预应力索-拱结构、索-桁架结构。45m以上跨度的索-拱结构、索-桁架结构，可在索与拱形梁、拱形桁架之间设置撑杆，并对拉索进行预张拉和按安装阶段张拉，形成张弦索-拱结构、张弦索-桁架结构。

某单层厂房，由于使用方的要求，设计为开间7.5m ，跨度42m。前期设计采用每开间柱顶一榀单向桁架，桁架截面为边长2.3m倒三角形（不变截面），桁架由钢管拼接，节点全部采用螺栓球连接，单榀网架重量约5.1吨。采用螺栓球节点钢管桁架的优点是每节钢管均可按受力要求配管，钢管用量少，方便运输。但钢管型号多，螺栓球及高强螺栓需采用高强钢并需作专门加工，并需增加封板、锥头用钢量，且螺栓球节点钢管桁架加工制作及安装费用高，需由专门的网架生产厂家和公司施工。针对这一情况，我们对该厂房的结构形式进行了多方案设计计算，并进行了用钢量、经济性及结构美观性的比较分析，从中选择最优方案。以下对该厂房42m跨度的屋架结构设计过程作简要介绍。

方案一，屋架采用焊接变截面H型钢梁，由于屋架跨度大，导致钢梁截面尺寸过大，其用钢量为5.5吨，估算造价约为4.12万元/榀（概算价0.75万元/吨），经济性较差，屋架外观差不受建设方接受。

方案二，采用变截面倒三角形钢管桁架，倒三角形截面宽度不变，截面高度由柱边处1.0米变化到跨中为2.0米。由于建筑高度要求屋架上弦为支座，原设计不变截面2.3m边长倒三角形桁架柱边下挂约2.0米，外观及厂房局部使用空间受影响。如采用螺栓球节点钢管桁架用钢量5.1吨，估算造价约为6.12万元/榀（概算价1.2万元/吨），如采用主管直通、腹管与主管焊接式钢管桁架，则用钢量5.2吨（减少钢管型号，用钢量略大），估算造价约为4.99万元/榀（概算价0.96万元/吨）。变截面倒三角形钢管桁架腹杆的角度每根不同，加工制作有一定的难度。

方案三，采用1.2米边长倒三角形钢管桁架加拉索及撑杆形成张弦索-桁架结构，用钢量3.2吨，估算造价约为3.52万元/榀（概算价1.1万元/吨）。但因厂房二层层高仅4.0米，张弦索-桁架的下弦索中部需低于柱顶约1.2米，大跨度厂房的中部净高2.8米不满足建筑要求，且钢管桁架与拉索之间的撑杆建设单位觉得视觉不好。该方案为最经济的单跨方案，却不可行。

方案四，将42m分为两个10.5m边跨及一个21m中跨，即10.5m+21m+10.5m的三跨，设两个中柱。用钢量3.0吨，估算造价约为2.88万元/榀（概算价0.96万元/吨）。该方案造价最经济，但加设的两个中柱影响内部使用。

方案五，采用1.6米边长倒三角形钢管桁架上弦支座间设双拉索（直线拉索），拉索选用高强钢丝索由冷铸锚具连接在高强钢螺杆上，可采用螺旋力拧紧螺母张紧拉索，也可采用千斤顶分阶段张拉下弦索，形成预应力索-桁架结构，钢管桁架可分四段制作采用高强螺栓法兰盘拼接连接现场安装，高强钢丝索穿过开洞钢球支座双螺帽固定。厂房的中部净高4.3米满足建筑要求（桁架支座高于柱顶0.3米）。用钢量3.5吨，估算造价约为3.85万元/榀（概算价1.1万元/吨）。该方案建筑外观好，制作安装方便，可施加预应力减少桁架挠度及柱顶推力，造价适中，每榀桁架的造价约低于螺栓球节点钢管桁架（原厂房桁架）2.3万元，用钢量节约1.6吨/榀。

经过对结构受力合理性、经济性、实用性、施工可操作性等方面的对比，新设计厂房最终采用了方案五所述的索-桁架结构。

参考文献：

[1] 协会标准《预应力钢结构技术规程》CECS212：2006

[2] 沈世钊，《悬索结构设计》（第二版），中国建筑工业出版社

[3] 张其林，《索和膜结构》，同济大学出版社

[4]李星荣，《钢结构连接节点设计手册》（第二版），中国建筑工业出版社