史德博 黃 偉

索在張弦拱結(jié)構(gòu)中的使用

史德博 黃 偉

本文結(jié)合實際工程，對張弦拱結(jié)構(gòu)中索對結(jié)構(gòu)的貢獻及索內(nèi)預應力的確定標準做了分析，指出在張弦拱體系中，柔索與剛性拱相互結(jié)合，相互補充，比任何一種單獨的結(jié)構(gòu)更合理、更經(jīng)濟。

張弦拱；主索；穩(wěn)定索；對稱斜拱

一、工程概況

本工程由三部分組成，兩邊為對稱布置的柱面鋼框架，由焊接工字型主次鋼梁體系組成；中間為6對斜放的對稱張弦拱形成主框架，上放連續(xù)檁條而形成的一個空間結(jié)構(gòu)。拱架跨度為60m，矢高9m；兩端的拱架之間拱腳有水平拉索相連，5等分處有4條垂直穩(wěn)定索與兩邊拱架間的短桿相連；中間四跨拱架拱腳有矢高為5m的弧形索相連，20等分處有19對穩(wěn)定索與兩邊拱架相連。支座采用鑄鋼不動鉸支座。本文重點闡述張弦拱中索的使用情況，計算模型及平面尺寸如下圖。

斜拱截面為Φ800x20螺旋焊接鋼管；檁條截面為口400×200×8，端部檁條截面為口400×200× 10；鋼材材質(zhì)為Q235C。

計算模型

主索截面為5×337(Φ100)，5×187(Φ75)，穩(wěn)定副索截面為5×13(Φ22)，鋼索為半平行預應力鋼索，二級松弛，外包PE，Rm=1670MPa，單根鋼絲直徑5mm。

支撐混凝土柱截面為2800×1200。

二、拉索在張弦拱結(jié)構(gòu)中的貢獻

1.減少拱腳水平推力及柱頂側(cè)移

工程上常用的兩鉸拱有兩種形式，即無拉桿的兩鉸拱 (見圖1a)和有拉桿的兩鉸拱 (見圖1b)，根據(jù)建筑使用上的不同要求及材料供應情況，可變動拉桿的位置和形狀，如適當提高拉桿的位置，或用若干根短桿組成桿系代替單根拉桿 (見圖1c、d)。

圖1

2.協(xié)調(diào)相鄰拱架的豎向撓度和水平側(cè)移

因本工程各拱架下支撐柱的截面相同但長度不同，線剛度不同，故在相同的荷載作用下拱架的內(nèi)力和變形也不同。這將產(chǎn)生兩個不良后果，一方面使拱架間的連接節(jié)點 (見圖2)內(nèi)因兩側(cè)的變形不同而產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，另一方面使拱架上的檁條因兩支撐端位移的不同而引起附加內(nèi)力。

通過調(diào)整拱架間拉索內(nèi)的預應力使相鄰拱架間的水平側(cè)移和豎向撓度的差值控制在1cm以內(nèi)，從而最大限度的減小拱架間連接節(jié)點和檁條內(nèi)的附加內(nèi)力。

三、拉索施加預應力的目標

1.柱頂側(cè)移的限制

表1

圖3

2.根據(jù)實際經(jīng)驗要求相鄰拱架上對應節(jié)點的水平側(cè)移和豎向撓度的差值不超過10mm，如此能盡可能減少結(jié)構(gòu)內(nèi)的附加內(nèi)力，通過調(diào)整索內(nèi)的預應力來滿足此 (結(jié)果見表3)。

3.保證在所用工況下索不退出工作，也就是在任何工況組合下索內(nèi)只有拉力。各根索在使用過程中的最大和最小軸力如表2所示：

表2

4.確保在最不利荷載組合下索內(nèi)拉力在拉索破斷力的0.4倍以下。

各主索的最大破斷力及所要求的受力限制如表3所示：

表3

綜合考慮以上幾種因素，確定各根主索內(nèi)施加的初始預應力如表4所示：

表4 索內(nèi)施加預應力

四、結(jié) 論

1.加索和不加索拱腳水平推力的對比如下圖。

加索后拱腳支座反力的最大值

不加索拱腳支座反力最大值

2.加索和不加索1/2和1/4拱跨處的豎向位移對比如表5(節(jié)點編號見平面圖)。

表5

通過以上兩個圖表的對比可以看出加索后拱腳的水平推力減少了35%～60%，控制點處的位移減少了10%～45%，從而可以得出以下結(jié)論：

1.由于在拱腳添加鋼索，通過張拉鋼索，使索與拱互相壓緊，形成預應力索拱體系，從而使張弦結(jié)構(gòu)的整體剛度大于單純剛性構(gòu)件的剛度；因此在同樣荷載的作用下，張弦結(jié)構(gòu)的變形比單純剛性構(gòu)件的變形小得多。

2.通過索的預張力作用對剛性構(gòu)件施加反向荷載，從而達到調(diào)整剛性構(gòu)件內(nèi)部的彎矩大小和分布的目的。

3.因為剛性拱的受力特征，在支座處產(chǎn)生很大的水平推力；索的引入可以平衡掉部分此推力，從而減少對下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的要求。

4.由于剛性拱的存在，使得鋼索不需施加很大的預應力，從而使支撐結(jié)構(gòu)的負擔得以減輕。與單一工作的拱相比，索拱體系內(nèi)的拱與張緊的索相連，不易發(fā)生整體失穩(wěn)，因此所需拱的截面較小。

以上說明索拱體系中，柔索與剛性拱相互結(jié)合，相互補充，比任何一種單獨的結(jié)構(gòu)更合理、更經(jīng)濟。

[1]《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》 (GB 50011-2001).

[2]《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 （GB50017-2003）.

[3]王蔭長，劉錚，周文群，李青寧.結(jié)構(gòu)力學.冶金工業(yè)出版社 1998

[4]沈世釗，徐崇寶，趙臣，武岳.懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計.(第二版).中國建筑工業(yè)出版社

TU356

C

1671-3362（2010）03-0024-04

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