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四川省博物館采光天棚張拉筒殼設(shè)計

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （五洲工程設(shè)計研究院 丁大益 劉威）

    [提要] 隨著我國建筑材料工業(yè)的不斷進(jìn)步，使得許多新型的建筑結(jié)構(gòu)形式得以實現(xiàn)，其中預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展尤其迅速。本文結(jié)合四川省博物館采光天棚的工程實例，分析了張拉筒殼結(jié)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的受力機(jī)理，對索的初始預(yù)拉力值確定、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計算、桿件及節(jié)點設(shè)計等關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為深入地分析，得出了一些有益的結(jié)論。
    [關(guān)鍵詞] 張拉筒殼 索 結(jié)構(gòu)狀態(tài) 預(yù)拉力
    Cable Stayed Tube Shell Design for Sunshade of SiChuan Museum / Ding Dayi (Wuzhou Engineering Design
    and Research Institute, Beijing 100053, China)
    Abstract: As the development of building materials
    industry, some new type structures have come true. Especially prestressed steel structures, who have
    made a rapid progress in recent years. The work mechanism of cable stayed tube shell in different
    structure status was presented with the Sunshade case of SiChuan Museum. Analysis was carried out on the
    key issues, such as cable prestress value, force and deformation calculation, member and joint design and
    so on. Finally some useful conclusions were brought forward.
    Keywords: cable stayed tube shell; cable; structure status; prestress

    在鋼結(jié)構(gòu)承重體系中，引入人為應(yīng)力以抵消荷載應(yīng)力，調(diào)整內(nèi)力峰值，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度及穩(wěn)定性，改善結(jié)構(gòu)其他屬性以及利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)創(chuàng)建新體系的，都可稱為預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)[1，2]。預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)靈活地選擇受壓構(gòu)件形式和施加預(yù)應(yīng)力的方式，從而發(fā)展出許多新的結(jié)構(gòu)形式，張拉筒殼結(jié)構(gòu)就是其中一種。張拉筒殼結(jié)構(gòu)類似于張弦梁（桁架）結(jié)構(gòu)，作為一種自平衡體系，它發(fā)揮了鋼索抗拉強(qiáng)度高和筒殼抗壓（拉）性能良好的特點，結(jié)構(gòu)受力合理，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的跨度。本文擬結(jié)合四川省博物館采光天棚的設(shè)計，首先分析張拉筒殼結(jié)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的受力機(jī)理，而后對纜索初始預(yù)拉力值的確定、結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計算、桿件及節(jié)點設(shè)計等關(guān)鍵問題進(jìn)行較為深入地分析，得到一些可供相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計參考的結(jié)論。
    1. 張拉筒殼結(jié)構(gòu)原理
    張拉筒殼結(jié)構(gòu)與張弦梁結(jié)構(gòu)的不同之處在于，張拉筒殼是用對稱的斜撐桿（或垂直桿）連接上部抗彎受壓構(gòu)件（筒殼）和下部受拉構(gòu)件（索）而形成的自平衡結(jié)構(gòu)。構(gòu)成上部筒殼的拱形梁可近似看作多跨連續(xù)梁，對稱斜撐桿（垂直撐桿）作為此連續(xù)梁的支點。預(yù)應(yīng)力索可定義為三種狀態(tài)：1) 初始狀態(tài)，索施加預(yù)應(yīng)力前的索段施工放樣狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)成形的起始狀態(tài)；2)成形狀態(tài)，結(jié)構(gòu)在自重和預(yù)應(yīng)力作用下的平衡狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)承載變形的起始狀態(tài)；3)荷載狀態(tài)，即結(jié)構(gòu)在承載后的平衡狀態(tài)。上部的筒殼一側(cè)邊固定，另一側(cè)邊允許水平滑移來建立預(yù)應(yīng)力，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)的“成形狀態(tài)”。在“初始狀態(tài)”的上部筒殼桿件主要受彎曲應(yīng)力，成形后在“荷載狀態(tài)”則視索預(yù)應(yīng)力值和基本風(fēng)壓值的大小，上部筒殼桿件承受壓力或拉力，纜索受拉。
    2. 四川省博物館采光天棚張拉筒殼設(shè)計
    2.1 工程概況
    新建的四川省博物館入口采光天棚的建筑設(shè)計為圓柱面采光頂，長寬均為27m，弓高1.5m，建筑高度（檐口）約15m。設(shè)計為跨度27m的張拉筒殼結(jié)構(gòu)，筒殼高度按建筑要求取1.5m，筒殼兩側(cè)支座，一邊可設(shè)置為不動鉸，而另一側(cè)則設(shè)置為單向可動鉸，對筒殼下部的纜索施加預(yù)拉力來平衡結(jié)構(gòu)對支座的推力。結(jié)構(gòu)下部為鋼筋砼框架、獨立基礎(chǔ)。
    張拉筒殼上部桿件采用焊接H型鋼，成斜向交叉27度布置，沿跨度方向均勻?qū)ΨQ設(shè)三道撐桿，撐桿的縱向間距為3.375m，索的垂度為0。纜索采用《斜拉橋熱擠聚乙稀高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T18365－2001）標(biāo)準(zhǔn)。筒殼兩端避開索的位置，設(shè)置抗風(fēng)短柱，加設(shè)側(cè)窗。
    由于采光頂鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，對風(fēng)的作用非常敏感，設(shè)計結(jié)構(gòu)的剛度充分考慮風(fēng)振的影響，使結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載作用下，均具有有效恒定的剛度，并應(yīng)使其固有頻率偏離成都本地風(fēng)的頻率，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振效應(yīng)。結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1。

    1）基本計算數(shù)據(jù)
    建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，使用年限為50年。重要性系數(shù)為1.0。
    屋面恒載標(biāo)準(zhǔn)值 0.50 kN/m2（主體結(jié)構(gòu)及檁條自重由計算程序自動計入）
    基本風(fēng)壓 0.30kN/m2（風(fēng)壓高度變化系數(shù)為1.25,風(fēng)振系數(shù)為1.1）
    基本雪壓 0.10kN/m2
    建筑所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g、設(shè)計地震分組為第一組、場地土類別為III類。阻尼比 。
    2）荷載組合
    考慮荷載組合對結(jié)構(gòu)的不利影響，將纜索預(yù)拉力作為恒載，取以下基本荷載組合（如表1~3所示），其中活荷載和雪荷載取大值計算。實際計算時，考慮到結(jié)構(gòu)只有在結(jié)構(gòu)初始剛度相同時才能滿足以下組合，故將荷載效應(yīng)組合轉(zhuǎn)化為荷載工況。


    2.2 纜索初始預(yù)拉力的確定
    張拉筒殼結(jié)構(gòu)作為一種預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)中所施加的纜索預(yù)拉力不僅決定結(jié)構(gòu)的
    受力狀態(tài)，而且決定結(jié)構(gòu)整體的剛度和動力特性，是整個結(jié)構(gòu)剛度的重要來源。因此，確定這種結(jié)構(gòu)體系的預(yù)拉力值非常重要。纜索預(yù)拉力值的確定必須通過結(jié)構(gòu)的整體有限元分析來完成，并應(yīng)使結(jié)構(gòu)在各種可能的荷載工況作用下處于良好的受力狀態(tài)，具有良好的動力特性。
    一般情況下確定索的形狀問題分為三類：初始幾何參量為已知量，預(yù)應(yīng)力分布為未知量；初始幾何參量為未知量，預(yù)應(yīng)力分布為已知量；初始幾何參量和預(yù)應(yīng)力分布均為未知量。本工程索的幾何形狀，即高跨比和垂度建筑已經(jīng)有了明確的要求，接下來只是確定索的預(yù)應(yīng)力分布問題了。
    由上分析我們可以看出索的初始預(yù)拉力不是一個恒定的值，它同結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)、筒殼的剛度、荷載狀況和吊裝條件相關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計階段索預(yù)拉力值確定的原則是：1)在初始狀態(tài)下（吊裝狀態(tài)），施加預(yù)拉力必須保證結(jié)構(gòu)不能有過大的反變形、桿件不能失穩(wěn)和破壞；2).在荷載狀態(tài)下纜索不失效，在地震反應(yīng)下不退出工作，筒殼一側(cè)各不動鉸支座的反力值差異不能過大。索的實際預(yù)應(yīng)力一般控制在0.15P~0.4P之間，以防止錨固端松弛不利現(xiàn)象發(fā)生。
    本項目采用逆迭代法找出可以抵消結(jié)構(gòu)在自重作用下的變形值而使結(jié)構(gòu)保持設(shè)計幾何尺寸的索的初始預(yù)拉力值。分析軟件采用MIDAS/GEN V6.9.1，采用非線性計算，考慮索的幾何非線性。同時用SAP2000作校核。初選結(jié)構(gòu)桿件截面如表4。

    具體方法為：在自重作用下，計算出纜索的拉力值，將此拉力作為索的預(yù)應(yīng)力作用于結(jié)構(gòu)中再計算出纜索的拉力，將此拉力作為索的預(yù)應(yīng)力重新作用于結(jié)構(gòu)中，如此往復(fù)計算，找出結(jié)構(gòu)在自重作用下保持設(shè)計幾何尺寸時索的初始預(yù)拉力值。也可將在自重作用的纜索的拉力值作為基準(zhǔn)，根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整初始預(yù)拉力值，盡快得到索的初始預(yù)拉力值。 本項目最終得到的纜索初始預(yù)拉力依次為80kN、80kN、110kN、110kN、110kN、110kN、110kN、80kN、80kN。
    2.3 結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形計算
    由于筒殼為空間結(jié)構(gòu)，取任何一部分計算均不具代表性，結(jié)構(gòu)須取整體模型計算。纜索在地震反應(yīng)下的剛度變化會影響整個結(jié)構(gòu)的安全，因此還須對整個主體結(jié)構(gòu)做地震反應(yīng)下的彈性動力分析。

    在正常使用極限狀態(tài)荷載組合下，跨中豎向位移考慮l/300的限值，筒殼頂最大水平位移考慮l/500的限值，l為結(jié)構(gòu)跨度。地震反應(yīng)下的跨中豎向位移限值為l/300，筒殼頂最大水平位移限值為l/400。水平位移均考慮縱、橫兩方向。
    模態(tài)振動圖示見圖3~6。


    2.4 桿件及節(jié)點設(shè)計
    按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001），表4中的桿件截面均滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定和變形的指標(biāo)。
    索球鉸節(jié)點見圖7。設(shè)計采用通過撐桿加錐頭用高強(qiáng)度螺栓同索球連接，傳力直接明確，便于施工，但高強(qiáng)度螺栓的要求較高。固定支座加工成鋼箱形，同混凝土梁頂預(yù)埋件和筒殼支座焊接，見圖8?；瑒又ёx用北京交通大學(xué)設(shè)計制造的抗震可動鋼支座。H型鋼節(jié)點均采用焊接拼接，見圖9，纜索錨具熱鑄成形。

    3. 結(jié)論
    通過本項目設(shè)計分析，得出如下幾點體會：
    1.張拉筒殼結(jié)構(gòu)作為一種自平衡體系，可動支座對下部結(jié)構(gòu)無水平推力，但結(jié)構(gòu)在水平地震（風(fēng)）荷載作用下，其水平力完全靠固定支座自平衡。由于組成筒殼的桿件與坐標(biāo)軸斜交，故無論結(jié)構(gòu)在X或Y向的單向水平力作用下，固定支座的反力都表現(xiàn)為X、Y兩向，要避免個別固定支座承受過大的水平力，需要調(diào)整纜索的初始預(yù)拉力，使每個固定支座均勻受力以達(dá)到理想的受力狀態(tài)。
    2.張拉筒殼結(jié)構(gòu)一般跨度較大，屋面自重輕，在基本風(fēng)壓較大的地區(qū)，風(fēng)的吸力有可能導(dǎo)致下部鋼索拉力喪失，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。設(shè)計時要尤為注意，必要時需加大結(jié)構(gòu)的自重。
    3.為保證豎直（斜）撐桿與上部筒殼和下部索為理想鉸接，上部采用軸承式鉸，下部采用索球鉸。
    4.索預(yù)拉力不同則結(jié)構(gòu)剛度不同，基于不同結(jié)構(gòu)剛度的荷載效應(yīng)不符合線性疊加原理。故應(yīng)進(jìn)行荷載預(yù)組合，轉(zhuǎn)換為荷載組合工況進(jìn)行分析分析。

    參 考 文 獻(xiàn)
    陸賜麟等. 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)[M]. 北京：人民交通出版社，2003.
    鐘善桐. 預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，1986.
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