探究大跨度拱形钢结构桁架设计
建筑设计
176 2015年9期
探究大跨度拱形钢结构桁架设计
苏红霞
邯郸市瑞达工程设计有限公司，河北邯郸 056107
摘要：本文主要探讨了大跨度拱形钢结构桁架在结构形式、轴线形式、截面形式与节点构造、拱脚设计、面外支撑布置以及屋盖结构等方面的设计。
关键词：大跨度；拱形；钢结构；桁架；设计
中图分类号：TU392.3 文献标识码：A 文章编号：1671-5810(2015)09-0176-01
1 引言
拱形钢结构桁架是众多结构体系中的一种，在建筑结构及桥梁结构中有着广泛的应用。拱形钢结构桁架作为一种合理有效的结构体系，更是广泛地应用在大跨度结构及空间结构中，如体育馆、会展中心、航站楼等。从力学的角看，建筑结构的发展都遵循着一个基本的客观规律，将外荷载产生的弯矩转化为构件的轴向拉压力，从而提高结构的效率。
2 结构形式
在拱形钢结构中，可选择实腹式截面拱、钢管桁架拱、索拱或钢管混凝土拱等。实腹式截面拱一般用于中小跨度结构中，常用的截面形式有圆钢管、箱形及工形截面等。当有设备管线穿过或建筑美观要求时，可选择腹板开孔式钢拱。若采用圆管或箱形截面，可在拱身内填充混凝土成为钢管混凝土桁架拱，其刚度和稳定承载力将有效提高，且局部稳定性、抗火性能、防腐性能等都有较大改善，适用于更大跨度的情况。
弦张式索拱与车辐式索拱通过拉索的约束和牵制作用限制拱体的变形发展，从而达到提高拱体刚度与整体承载力、减少拱脚推力的目的。这种类型的索拱结构通过拉索与拱体的拉扯作用，可以明显改善拱体的受力性能，降低纯拱结构对反对称几何初始缺陷的敏感性，提高半跨荷载下的承载力。弦撑式索拱结构通过撑杆的反向作用给拱体提供弹性支承，进而降低拱体的峰值弯矩，提高结构的整体刚度与承载力，与张弦梁的受力机理类似。
3 轴线形式
拱形钢结构的轴线选择包括轴线形状和矢跨比确定两方面，应使其在主要荷载工况下以轴压受力为主、具有较高的承载力。通常拱形钢结构的轴线形式有圆弧形、抛物线形、悬链线形及椭圆形等，其中全跨水平均布荷载作用下的抛物线拱、全跨轴线均布荷载作用下的悬链线拱是工程中常见的两种均匀受压拱模型。实际设计中荷载情况复杂，宜根据荷载效应组合的控制工况，进行轴线的优化分析，确定合理的拱轴线形状。
4 截面形式与节点构造
关于截面形式，一般可以选择工形的开口截面或圆管、箱形的闭合截面，或其他更为复杂的组合截面形式。考虑拱形钢结构平面外稳定性时，采用闭合截面将获得较高的自由扭转刚度与平面外弯曲刚度，还可灌入混凝土形成钢管混凝土结构。对于三角形截面的钢管桁架拱，宜优先选择正三角形截面。
拱形钢结构的节点设计应遵循构造简单、整体刚度好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便等原则。通常其节点选型与其他钢结构形式类似，比如钢管桁架拱可参考钢管桁架柱、桁架梁的节点构造处理方法，索拱结构中拱体与撑杆、拉索之间的节点可参考其他预应力钢结构的规范规程或相关经验进行设计。特别针对车辐式索拱结构，《拱形钢结构技术规程》参考国外工程资料，给出了可供参考的平板节点、铸造节点等索盘节点形式。
5 拱脚设计
由于拱形钢结构的拱脚一般具有较大的推力，《拱形钢结构技术规程》中规定，拱脚支座应采用传力可靠、连接简单的构造形式。由于拱脚边界条件对钢拱的受力、稳定性以及下部基础(或支承结构)反力的影响较大，因此，拱脚支座的构造应保证与计算假定一致。拱脚为铰接时，其构造设计应尽量保证其拱脚具有充分的转动能力，且能有效传递剪力和轴力；刚接时宜扩大拱脚截面，使其能高效充分传递弯矩，否则应根据实际构造情况，在计算时考虑拱脚节点的弯矩-转角特性。拱脚构造使得内力传递越简单，越能保证其可靠性。
通常拱形钢结构在竖向荷载作用下的拱脚推力较大，因此，当为落地拱时，可考虑设置连接拱脚的钢绞线或型钢拉杆来平衡拱脚推力，以减小基础负荷。当拱形钢结构支承于下部结构上时，建筑造型上不宜设置拉杆拱，此时应重视下部结构刚度和承载力的设计。
6 面外支撑布置
拱形钢结构的设计，不仅要满足平面内稳定承载力的要求，也应考虑面外支撑的设置。因为无面外支撑拱的面外稳定承载力较低，常为结构设计的控制因素之一。因此工程中常采用钢桁架、钢梁、檩条及屋面板体系等对拱形钢结构形成面外支撑，防止其面外失稳的发生。
7 屋盖结构的设计分析
7.1对工程项目中的屋盖结构形式进行选择确定
不仅对于建筑形式的要求比较高，特殊性较强，并且对于建筑项目的室内空间需求比较大，结合项目工程的这些施工设计要求与特点，在进行施工设计过程中，为了满足工程项目的大空间需求，同时保证建筑屋盖结构部分的应力荷载与质量等，专门采用了大跨度拱形钢结构桁架进行该体育馆建筑屋盖部分的设计应用。在进行屋盖结构形式的设计过程中，由于屋盖结构的跨度比较大。
7.2在进行大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构的设计
除了需要从结构材料与强度等方面进行结构形式的荷载质量与强度保证外，还需要通过对于结构的风敏感性以及风荷载情况等进行设计考虑与计算分析，以实现对于大跨度拱形钢结构桁架形式质量的保证。
8 结束语
钢结构管桁架，作为建筑屋盖结构中比较重要的一种，特别适用于大型建筑工程。一方面，钢结构管桁架能够更好地保证建筑的安全性能，另一方面，钢结构管桁架伸缩能力强，高度符合现代建筑设计中讲求美观效果的理念，可以完美的表达出设计者对于建筑物设计的本意，体现设计者的意志。并且，钢结构的成本相对较小，对于建筑企业施工成本是一项重要的保证。钢结构管桁架作为一种结构体系，对于大跨度空间结构的发展也能够提供完美的保障，从而实现力与美的紧密融合。
参考文献
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