摘 要：從某42m跨度單層廠房輕鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的設(shè)計(jì)過(guò)程，探討大跨度輕型屋蓋房屋采用預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)索-拱體系、索-桁架體系的可行性和經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)卫瓧U 拉索 預(yù)張拉索 張弦梁 張弦桁架 索-拱體系 索-桁架體系

由剛性的拱形梁、拱形桁架和拱腳處的柔性的拉索（拉弦）組成的索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)具有很大的整體剛度，可有效低抵抗結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的垂直荷載，在大跨度結(jié)構(gòu)工程中運(yùn)用有很好的經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際工程中，較大跨度的輕鋼屋架常在其下端設(shè)置單拉桿，用拉桿來(lái)平衡屋架兩端向外的推力（如圖一），這就是最簡(jiǎn)單的索-拱結(jié)構(gòu)或索-桁架結(jié)構(gòu)，“單拉桿”從廣義上講即為拉索——拉弦。

在索與拱形梁、拱形桁架之間設(shè)置撐桿，并對(duì)拉索進(jìn)行預(yù)張拉，可形成張弦索-拱結(jié)構(gòu)、張弦索-桁架結(jié)構(gòu)——統(tǒng)稱(chēng)張弦結(jié)構(gòu)（張弦梁、張弦桁架）。張弦索-拱體系、張弦索-桁架體系在大跨度房屋中的應(yīng)用已很廣泛，如北京2008年奧運(yùn)會(huì)國(guó)家體育館屋頂雙向張弦結(jié)構(gòu)（雙向張弦桁架），浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓82.6m張弦梁，廣州國(guó)際會(huì)議展覽中心126m跨張弦桁架（圖二），哈爾濱國(guó)際會(huì)展體育中心128m跨張弦桁架，深圳會(huì)展中心126m跨張弦梁。

大跨度的拱形構(gòu)件——拱形梁、拱形桁架在豎向荷載下，拱腳會(huì)產(chǎn)生很大的推力，若無(wú)拉索或下部結(jié)構(gòu)不能平衡拱腳推力，拱腳推力被完全釋放，拱形構(gòu)件——拱形梁、拱形桁架只能依靠自身的剛度和強(qiáng)度承受豎向荷載下而成為純受彎構(gòu)件，拱形梁、拱形桁架的截面及材料用量將很大。而索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)中，拉索或預(yù)張拉索可以有效平衡拱形梁、拱形桁架的拱腳推力，使拱形梁、拱形桁架成為受壓構(gòu)件、或壓彎構(gòu)件，因此，拱形梁、拱形桁架可以設(shè)計(jì)得很經(jīng)濟(jì)，且由于整個(gè)屋架對(duì)下部結(jié)構(gòu)基本上不產(chǎn)生推力，下部結(jié)構(gòu)也可以設(shè)計(jì)得較簡(jiǎn)單、較經(jīng)濟(jì)。在索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)中，拉索可采用高強(qiáng)鋼絲索、高強(qiáng)鋼棒、高強(qiáng)扁鋼，材料用量較少且加工方便。

在大跨度的公共建筑、廠房建筑工程中，應(yīng)用索-拱體系、索-桁架體系，具有結(jié)構(gòu)尺寸小、屋面剛度大、結(jié)構(gòu)變形小、結(jié)構(gòu)重量輕、結(jié)構(gòu)材料節(jié)省、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。可根據(jù)建筑要求的不同跨度，采用不同型式的索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)，35m以下跨度索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)的下弦索可采用高強(qiáng)扁鋼、型鋼，下弦索不需張拉。35m～45m跨度索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)的下弦索宜采用高強(qiáng)鋼絲索、高強(qiáng)鋼棒，下弦索可采用簡(jiǎn)易張拉工具張拉（如利用高強(qiáng)鋼絲索、高強(qiáng)鋼棒端部的螺母或?qū)ｉT(mén)設(shè)置花籃螺栓，由螺旋力進(jìn)行張緊下弦索），也可采用千斤頂分階段張拉下弦索，形成預(yù)應(yīng)力索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)。45m以上跨度的索-拱結(jié)構(gòu)、索-桁架結(jié)構(gòu)，可在索與拱形梁、拱形桁架之間設(shè)置撐桿，并對(duì)拉索進(jìn)行預(yù)張拉和按安裝階段張拉，形成張弦索-拱結(jié)構(gòu)、張弦索-桁架結(jié)構(gòu)。

某單層廠房，由于使用方的要求，設(shè)計(jì)為開(kāi)間7.5m ，跨度42m。前期設(shè)計(jì)采用每開(kāi)間柱頂一榀單向桁架，桁架截面為邊長(zhǎng)2.3m倒三角形（不變截面），桁架由鋼管拼接，節(jié)點(diǎn)全部采用螺栓球連接，單榀網(wǎng)架重量約5.1噸。采用螺栓球節(jié)點(diǎn)鋼管桁架的優(yōu)點(diǎn)是每節(jié)鋼管均可按受力要求配管，鋼管用量少，方便運(yùn)輸。但鋼管型號(hào)多，螺栓球及高強(qiáng)螺栓需采用高強(qiáng)鋼并需作專(zhuān)門(mén)加工，并需增加封板、錐頭用鋼量，且螺栓球節(jié)點(diǎn)鋼管桁架加工制作及安裝費(fèi)用高，需由專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)架生產(chǎn)廠家和公司施工。針對(duì)這一情況，我們對(duì)該廠房的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了多方案設(shè)計(jì)計(jì)算，并進(jìn)行了用鋼量、經(jīng)濟(jì)性及結(jié)構(gòu)美觀性的比較分析，從中選擇最優(yōu)方案。以下對(duì)該廠房42m跨度的屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程作簡(jiǎn)要介紹。

方案一，屋架采用焊接變截面H型鋼梁，由于屋架跨度大，導(dǎo)致鋼梁截面尺寸過(guò)大，其用鋼量為5.5噸，估算造價(jià)約為4.12萬(wàn)元/榀（概算價(jià)0.75萬(wàn)元/噸），經(jīng)濟(jì)性較差，屋架外觀差不受建設(shè)方接受。

方案二，采用變截面倒三角形鋼管桁架，倒三角形截面寬度不變，截面高度由柱邊處1.0米變化到跨中為2.0米。由于建筑高度要求屋架上弦為支座，原設(shè)計(jì)不變截面2.3m邊長(zhǎng)倒三角形桁架柱邊下掛約2.0米，外觀及廠房局部使用空間受影響。如采用螺栓球節(jié)點(diǎn)鋼管桁架用鋼量5.1噸，估算造價(jià)約為6.12萬(wàn)元/榀（概算價(jià)1.2萬(wàn)元/噸），如采用主管直通、腹管與主管焊接式鋼管桁架，則用鋼量5.2噸（減少鋼管型號(hào)，用鋼量略大），估算造價(jià)約為4.99萬(wàn)元/榀（概算價(jià)0.96萬(wàn)元/噸）。變截面倒三角形鋼管桁架腹桿的角度每根不同，加工制作有一定的難度。

方案三，采用1.2米邊長(zhǎng)倒三角形鋼管桁架加拉索及撐桿形成張弦索-桁架結(jié)構(gòu)，用鋼量3.2噸，估算造價(jià)約為3.52萬(wàn)元/榀（概算價(jià)1.1萬(wàn)元/噸）。但因廠房二層層高僅4.0米，張弦索-桁架的下弦索中部需低于柱頂約1.2米，大跨度廠房的中部?jī)舾?.8米不滿(mǎn)足建筑要求，且鋼管桁架與拉索之間的撐桿建設(shè)單位覺(jué)得視覺(jué)不好。該方案為最經(jīng)濟(jì)的單跨方案，卻不可行。

方案四，將42m分為兩個(gè)10.5m邊跨及一個(gè)21m中跨，即10.5m+21m+10.5m的三跨，設(shè)兩個(gè)中柱。用鋼量3.0噸，估算造價(jià)約為2.88萬(wàn)元/榀（概算價(jià)0.96萬(wàn)元/噸）。該方案造價(jià)最經(jīng)濟(jì)，但加設(shè)的兩個(gè)中柱影響內(nèi)部使用。

方案五，采用1.6米邊長(zhǎng)倒三角形鋼管桁架上弦支座間設(shè)雙拉索（直線(xiàn)拉索），拉索選用高強(qiáng)鋼絲索由冷鑄錨具連接在高強(qiáng)鋼螺桿上，可采用螺旋力擰緊螺母張緊拉索，也可采用千斤頂分階段張拉下弦索，形成預(yù)應(yīng)力索-桁架結(jié)構(gòu)，鋼管桁架可分四段制作采用高強(qiáng)螺栓法蘭盤(pán)拼接連接現(xiàn)場(chǎng)安裝，高強(qiáng)鋼絲索穿過(guò)開(kāi)洞鋼球支座雙螺帽固定。廠房的中部?jī)舾?.3米滿(mǎn)足建筑要求（桁架支座高于柱頂0.3米）。用鋼量3.5噸，估算造價(jià)約為3.85萬(wàn)元/榀（概算價(jià)1.1萬(wàn)元/噸）。該方案建筑外觀好，制作安裝方便，可施加預(yù)應(yīng)力減少桁架撓度及柱頂推力，造價(jià)適中，每榀桁架的造價(jià)約低于螺栓球節(jié)點(diǎn)鋼管桁架（原廠房桁架）2.3萬(wàn)元，用鋼量節(jié)約1.6噸/榀。

經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)受力合理性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、施工可操作性等方面的對(duì)比，新設(shè)計(jì)廠房最終采用了方案五所述的索-桁架結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS212：2006

[2] 沈世釗，《懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》（第二版），中國(guó)建筑工業(yè)出版社

[3] 張其林，《索和膜結(jié)構(gòu)》，同濟(jì)大學(xué)出版社

[4]李星榮，《鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版），中國(guó)建筑工業(yè)出版社