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北京農展館新館張弦桁架設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]

    （中國五洲工程咨詢公司 100053） 丁大益
    [提要] 隨著我國基礎材料工業的不斷進步，建筑結構領域也得到了長足的發展，使得許多新型的建筑結構形式得以實現，張弦桁架結構就是其中一種。本文結合工程實例給出了張弦桁架結構的分析計算和設計方法，對索預應力的確定和計算作了較為詳細的分析，得出了一些有益的結論。
    [關鍵詞] 張弦桁架 索 結構狀態 預拉力 荷載工況
    一．張弦桁架結構原理
    張弦桁架結構是張弦梁結構的一種類型，其定義是，用撐桿連接上部抗彎受壓構件和下部受拉構件（索）而形成的自平衡結構。上部可以是拱形箱梁或拱形桁架，在一端固定，一端允許水平滑移來建立預應力，即“成形狀態”，上弦受彎曲應力，成形后在“荷載狀態”為軸心受壓承受壓應力，上部截面由壓應力控制。

    彈性模量為定值，則張弦桁架的剛度與上、下部截面和張弦桁架高度平方成正比，因此選擇結構的高跨比f1/L和垂跨比f2/L十分重要。
    擬化后的上部拱形桁架可近似看作為多跨連續粱，張弦桁架的撐桿作為此連續粱的支點。因此視索預應力值和基本風壓值的大小，上部拱形桁架的上弦承受壓力、下弦承受壓力（或較小的拉力）、腹桿的內力表現為拉壓交替變化的特征，上、下弦以應力差承擔結構的抗彎作用，腹桿以拉壓應力承擔結構的抗剪作用。
    二．北京農展館張弦桁架設計
    北京農展館新館是2004年為適應發展需要而新建的展覽館，新館長150M（柱距12M），寬86M，建筑面積約15000M2，建筑高度（檐口）約10米。屋蓋為張弦桁架結構，跨度為76M。下部為鋼筋砼框架、獨立基礎。建筑結構的安全等級為二級，使用年限為50年。重要性系數為1.0。
    張弦桁架上部設計為倒三角形拱形桁架，其高度取跨度的1/30即2.5M，單元分割按徑向等分，弧長約為3M，約每隔8M設一道撐桿，纜索采用《斜拉橋熱擠聚乙稀高強鋼絲拉索技術條件》（GB/T18365－2001）標準。
    結構沿柱距方向布置張弦桁架，沿縱向設置檁條和支撐。張弦鋼桁架的面外穩定決定于結構的屋面剛度（加設過多的縱向聯系構件會破壞建筑的美感），因此結構縱向支撐的布置和檁條的選用十分關鍵。設計時盡量將檁條加密，選用截面性能較好的矩形鋼管作為檁條（兼作縱向撐桿），沿縱向設四道通長的三角形空間桁架，使其對張弦桁架提供有效的約束，形成較大的縱向空間剛度 ，求得縱橫兩向剛度的均勻。建筑物兩端山墻設鋼筋砼抗風框架，避免了山墻處張弦桁架與下部結構的復雜連接。
    由于屋蓋鋼結構附加在鋼筋砼框架結構屋頂，自重較輕，對風的作用非常敏感，設計結構的剛度充分考慮風振的影響，使結構在各種可能的荷載作用下，均具有有效恒定的剛度，并應使其固有頻率偏離北京本地風的頻率，避免結構發生共振效應。

    1.纜索預拉力的確定原則
    張弦鋼桁架結構作為一種預應力鋼結構體系，結構中所施加的纜索預拉力是整個結構
    剛度的重要來源，因此，確定這種結構體系的預拉力值非常重要。
    纜索預拉力值的確定必須通過結構的整體有限元分析來完成，并應使結構在各種可能
    的荷載工況作用下處于良好的受力狀態，具有良好的動力特性。
    預拉力值的大小不僅決定結構的受力狀態，而且決定結構整體的剛度和動力特性。
    定義預應力索的三種狀態：1)零狀態，索施加預應力前的索段施工放樣狀態，即結構成形的起始狀態；2)初始狀態，結構在自重和預應力作用下的平衡狀態，為結構承載變形的起始狀態；3)荷載狀態，即結構在承載后的平衡狀態。
    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，預應力分布為未知量；初始幾何參量為未知量，預應力分布為已知量；初始幾何參量和預應力分布均為未知量。
    本工程索的幾何形狀，即高跨比和垂度建筑已經有了明確的要求，接下來只是確定索的預應力分布問題了。
    由上分析我們可以看出索的初始預拉力不是一個恒定的值，它同結構的幾何形態、拱形桁架的剛度、荷載狀況和吊裝條件相關，結構設計階段索預拉力值確定的原則是：1)在初始狀態下（張弦桁架吊裝狀態），施加預拉力必須保證結構不能有大的變形、桿件不能失穩和破壞；2).在荷載狀態下纜索不失效，在地震反應下不退出工作。索的實際預應力一般控制在0.35P~0.4P之間，以防止錨固端松弛不利現象發生。
    2.纜索初始預拉力的確定
    首先用逆迭代法找出結構在自重作用下不發生變形（設計幾何尺寸）時索的初始預拉力值。由于索的長度較小，分析時不考慮其非線性。分析軟件采用MIDAS-gen。

    張弦桁架左端設為固定鉸，右端水平約束釋放，得出初始預拉力值為830KN。以此為基礎逐漸加大初始預拉力值，施加設計荷載（荷載組合）計算出結構的內力和變形，再進行調整，如此往復。
    1) 基本計算數據
    基本風壓 0.45kN/m2
    風壓高度變化系數為1.4,風振系數為1.162，體形系數為－0.8
    基本雪壓 0.40kN/m2
    建筑所在地區的抗震設防烈度為 8度
    設計基本地震加速度值為0.20g
    設計地震分組為第一組
    場地土類別為III類
    2) 屋面荷載
    恒載標準值 0.50 kN/m2（其中懸掛荷載 0.30 kN/m2）
    主體結構及檁條自重由計算程序自動計入
    3)荷載組合
    考慮荷載組合對結構的不利影響，將纜索預拉力作為恒載，取以下基本荷載組合。實際計算時，考慮到結構只有在結構初始剛度相同時才能滿足以下組合，故將荷載效應組合轉化為荷載工況：
    組合工況一：1.2x恒載＋1.4x活載
    （1.2DL+1.4LL）
    組合工況二：1.0x恒載＋1.0x活載
    （1.0DL+1.0LL）
    組合工況三：1.2x恒載＋1/2跨x1.4x活載
    (1.2DL+0.7LL)
    組合工況四：1.0x恒載＋1/2跨x1.0x活載
    (1.0DL+0.5LL)
    組合工況五：1.２x恒載＋1.4x風載
    (1.2DL+1.4WL)
    組合工況六：1.0x恒載＋1.4x風載
    (1.0DL+1.4WL)
    組合工況七：1.2x恒載＋1.4x活載＋1.4x0.6x風載
    (1.2DL+1.4LL+0.84WL)
    組合工況八：1.2x恒載＋1.4x1.0x風載＋1.4x0.7x活載＋1.3x0.2x地震荷載
    (1.2DL+1.4WL+0.98LL+0.26Ex)
    (1.2DL+1.4WL+0.98LL+0.26Ey)
    組合工況九：1.2x恒載＋1.4x0.5x活載＋1.3x地震荷載
    (1.2DL+0.7LL+1.3Ex)
    (1.2DL+0.7LL+1.3Ey)
    活荷載和雪荷載取大值計算，水平地震荷載和風荷載組合時考慮與側向水平風荷載同向組合。
    最終得出索初始預拉力值為1350KN。在自重和索初始預拉力1350KN作用下，計算出張弦桁架初始狀態下的幾何形狀，如圖三所示。最大變形量Z向為60MM，X向（滑動支座）為－30MM。此時下部索承受的實際拉力為870KN。






    通過以上計算分析，我們可以看到，由于采用了合理的結構設計方案，結構保持了很好的整體穩定性。結構自振主振型為上、下垂直振動，避免了張弦桁架下部索面外的擺動。
    三．結論
    張弦桁架結構作為一種自平衡體系，它發揮了鋼索抗拉強度高和拱形桁架抗壓（拉）性能良好的特點，結構受力合理，能夠達到很大的跨度。如廣東國際會展中心、哈爾濱國際會展中心等均采用此種結構。通過北京農展館項目設計分析，得出如下幾點體會：
    1.張弦桁架結構雖然作為一種自平衡體系，對下部結構沒有水平推力，但作計算分析時應取包含下部結構的整體模型。通過對整體模型和張弦桁架單獨計算（支座仍按不動鉸和水平可動鉸）的分析比較，兩者的豎向變形差異達到30%，在工程設計中不容忽略。下部結構剛度越小，差異越大。兩者的差異還表現在下部結構的地震反應上，下部結構單獨計算（將上部張弦桁架視為荷載）和結構整體分析，地震反應亦有較大的差異。
    2.張弦桁架結構一般跨度較大，屋面自重輕，在基本風壓較大的地區，風的吸力有可能將導致下部鋼索拉力喪失，結構失穩。設計時要尤為注意，必要時需加大結構的自重。
    3.為保證豎直撐桿與上部拱形桁架和下部索為理想鉸接，上部采用軸承式鉸，下部采用索球鉸。考慮到撐桿在張弦桁架面外必須具有剛度，因此上部軸承式鉸僅為面內鉸，面外須有一定的剛度。
    4.用輸入索預拉力作為預應力的方法分析計算時，荷載效應組合必須轉換為荷載組合工況。否則索預拉力會被重復計入，得到不真實的結果。
    5.確定索的初始預拉力時，既要考慮到結構荷載狀態下張弦桁架的安全，又要考慮到結構初始狀態的下的穩定，兩者缺一不可。






    參 考 文 獻

    1. 鐘善桐.預應力鋼結構.哈爾濱工業出版社，1986.
    2. 陳紹蕃.鋼結構設計原理.科學出版社.1987,1998(第二板).
    3. 汪大綏，張富林等.上海浦東國際機場（一期工程）航站樓鋼結構工程與設計.建筑結構學報，1999.
    4. 陸廣毅等.廣州國際會展中心展覽大廳鋼屋蓋設計.空間結構，2002,3.
    5. 陸賜麟等.現代預應力鋼結構.人民交通出版社.2003.



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