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四川省博物館采光天棚張拉筒殼設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    （五洲工程設計研究院 丁大益 劉威）

    [提要] 隨著我國建筑材料工業的不斷進步，使得許多新型的建筑結構形式得以實現，其中預應力鋼結構的發展尤其迅速。本文結合四川省博物館采光天棚的工程實例，分析了張拉筒殼結構在不同結構狀態的受力機理，對索的初始預拉力值確定、結構的內力和變形計算、桿件及節點設計等關鍵問題進行了較為深入地分析，得出了一些有益的結論。
    [關鍵詞] 張拉筒殼 索 結構狀態 預拉力
    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

    在鋼結構承重體系中，引入人為應力以抵消荷載應力，調整內力峰值，增強結構剛度及穩定性，改善結構其他屬性以及利用預應力技術創建新體系的，都可稱為預應力鋼結構[1，2]。預應力鋼結構靈活地選擇受壓構件形式和施加預應力的方式，從而發展出許多新的結構形式，張拉筒殼結構就是其中一種。張拉筒殼結構類似于張弦梁（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筒殼抗壓（拉）性能良好的特點，結構受力合理，能夠實現較大的跨度。本文擬結合四川省博物館采光天棚的設計，首先分析張拉筒殼結構在不同結構狀態的受力機理，而后對纜索初始預拉力值的確定、結構的內力和變形計算、桿件及節點設計等關鍵問題進行較為深入地分析，得到一些可供相關結構設計參考的結論。
    1. 張拉筒殼結構原理
    張拉筒殼結構與張弦梁結構的不同之處在于，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件（筒殼）和下部受拉構件（索）而形成的自平衡結構。構成上部筒殼的拱形梁可近似看作多跨連續梁，對稱斜撐桿（垂直撐桿）作為此連續梁的支點。預應力索可定義為三種狀態：1) 初始狀態，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)成形狀態，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。上部的筒殼一側邊固定，另一側邊允許水平滑移來建立預應力，從而達到結構的“成形狀態”。在“初始狀態”的上部筒殼桿件主要受彎曲應力，成形后在“荷載狀態”則視索預應力值和基本風壓值的大小，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。設計為跨度27m的張拉筒殼結構，筒殼高度按建筑要求取1.5m，筒殼兩側支座，一邊可設置為不動鉸，而另一側則設置為單向可動鉸，對筒殼下部的纜索施加預拉力來平衡結構對支座的推力。結構下部為鋼筋砼框架、獨立基礎。
    張拉筒殼上部桿件采用焊接H型鋼，成斜向交叉27度布置，沿跨度方向均勻對稱設三道撐桿，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鋼絲拉索技術條件》（GB/T18365－2001）標準。筒殼兩端避開索的位置，設置抗風短柱，加設側窗。
    由于采光頂鋼結構自重較輕，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成都本地風的頻率，避免結構發生共振效應。結構平面布置圖見圖1。

    1）基本計算數據
    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。
    屋面恒載標準值 0.50 kN/m2（主體結構及檁條自重由計算程序自動計入）
    基本風壓 0.30kN/m2（風壓高度變化系數為1.25,風振系數為1.1）
    基本雪壓 0.10kN/m2
    建筑所在地區的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g、設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（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。


    2.2 纜索初始預拉力的確定
    張拉筒殼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，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。
    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、筒殼的剛度、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（吊裝狀態），施加預拉力必須保證結構不能有過大的反變形、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，筒殼一側各不動鉸支座的反力值差異不能過大。索的實際預應力一般控制在0.15P~0.4P之間，以防止錨固端松弛不利現象發生。
    本項目采用逆迭代法找出可以抵消結構在自重作用下的變形值而使結構保持設計幾何尺寸的索的初始預拉力值。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。初選結構桿件截面如表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應力作用于結構中再計算出纜索的拉力，將此拉力作為索的預應力重新作用于結構中，如此往復計算，找出結構在自重作用下保持設計幾何尺寸時索的初始預拉力值。也可將在自重作用的纜索的拉力值作為基準，根據經驗調整初始預拉力值，盡快得到索的初始預拉力值。 本項目最終得到的纜索初始預拉力依次為80kN、80kN、110kN、110kN、110kN、110kN、110kN、80kN、80kN。
    2.3 結構的內力和變形計算
    由于筒殼為空間結構，取任何一部分計算均不具代表性，結構須取整體模型計算。纜索在地震反應下的剛度變化會影響整個結構的安全，因此還須對整個主體結構做地震反應下的彈性動力分析。

    在正常使用極限狀態荷載組合下，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為結構跨度。地震反應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。
    模態振動圖示見圖3~6。


    2.4 桿件及節點設計
    按《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）、《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001），表4中的桿件截面均滿足強度、穩定和變形的指標。
    索球鉸節點見圖7。設計采用通過撐桿加錐頭用高強度螺栓同索球連接，傳力直接明確，便于施工，但高強度螺栓的要求較高。固定支座加工成鋼箱形，同混凝土梁頂預埋件和筒殼支座焊接，見圖8。滑動支座選用北京交通大學設計制造的抗震可動鋼支座。H型鋼節點均采用焊接拼接，見圖9，纜索錨具熱鑄成形。

    3. 結論
    通過本項目設計分析，得出如下幾點體會：
    1.張拉筒殼結構作為一種自平衡體系，可動支座對下部結構無水平推力，但結構在水平地震（風）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軸斜交，故無論結構在X或Y向的單向水平力作用下，固定支座的反力都表現為X、Y兩向，要避免個別固定支座承受過大的水平力，需要調整纜索的初始預拉力，使每個固定支座均勻受力以達到理想的受力狀態。
    2.張拉筒殼結構一般跨度較大，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（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.索預拉力不同則結構剛度不同，基于不同結構剛度的荷載效應不符合線性疊加原理。故應進行荷載預組合，轉換為荷載組合工況進行分析分析。

    參 考 文 獻
    陸賜麟等. 現代預應力鋼結構[M]. 北京：人民交通出版社，2003.
    鐘善桐. 預應力鋼結構[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業出版社，1986.
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