宮彩鳳

黑龍江集盛建筑設(shè)計有限公司

關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中拱桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

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拱桁架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑設(shè)計中很是常見，尤其是在大跨度、大空間建筑中。基于該結(jié)構(gòu)形式的特點，本文對該結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化方法作詳細探析，并得出相關(guān)結(jié)論，供同行參考借鑒。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；拱桁架結(jié)構(gòu)；設(shè)計優(yōu)化；方法

從性質(zhì)上而言，拱桁架屬于鋼結(jié)構(gòu)形式的一種，在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。拱桁架結(jié)構(gòu)的最大特點是能滿足大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，同時降低屋蓋造價成本，因此受到了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)的高度重視。結(jié)合拱桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)用現(xiàn)狀，筆者現(xiàn)對拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案作詳細論述。

一、拱桁架結(jié)構(gòu)的概述

1、拱桁架的特點

隨著建筑事業(yè)的不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平也變得越來越高，多種不同形式結(jié)構(gòu)層出不窮，為建筑造型百變，建筑功能完善做出了巨大貢獻。拱桁架結(jié)構(gòu)作為一種常見鋼結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已在大跨度建筑屋蓋體系中得到廣泛應(yīng)用。

就我國當前的拱桁架結(jié)構(gòu)發(fā)展狀況來看，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中常見的拱桁架形式主要分為三種，即不拉索和桿結(jié)構(gòu)、拉索結(jié)構(gòu)以及拉桿結(jié)構(gòu)。這三種拱桁架結(jié)構(gòu)按照支座類型劃分，原理在于，結(jié)構(gòu)中拱所承受的荷載由曲桿承受，同時曲桿在承受荷載的同時將部分荷載傳遞到結(jié)構(gòu)支座上，由支座來承受結(jié)構(gòu)的整體受力。即是說，拱桁架結(jié)構(gòu)支座負責(zé)承受結(jié)構(gòu)所受的所有外力，包括結(jié)構(gòu)豎向壓力以及拱結(jié)構(gòu)的水平推力。為此，在拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，支座處理是關(guān)鍵，設(shè)計時務(wù)必要做好支座受力設(shè)計方案的優(yōu)化。

2、拱桁架支座設(shè)計

拱桁架支座抗衡、化解拱結(jié)構(gòu)傳遞過來的水平推力方法主要有兩種，一是將結(jié)構(gòu)支撐，二是拉桿承受。前者是指利用支座結(jié)構(gòu)來承受水平推力，后者則要求在拱桁架下方增設(shè)一個下弦單拉桿，利用拉桿來化解推力。

如設(shè)計中采用第一種方法，利用結(jié)構(gòu)支座來支撐水平推力，會大大增加結(jié)構(gòu)負荷，設(shè)計時為了防止結(jié)構(gòu)坍塌，必須對結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量提出高要求，這便很容易造成材料浪費，增加工程造價成本；如果采用第二種方法，在拱桁架下方設(shè)置下弦單拉桿，利用單拉桿化解水平推力，可大大減少支座受力，因此無需過分提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件質(zhì)量要求，所消耗的施工材料也比較少，工程造價自然會降低。所以一般情況下，拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用拉桿增設(shè)方式，我們在探討拱桁架結(jié)果設(shè)計優(yōu)化方案時，可將拉桿設(shè)計作為突破口，合理優(yōu)化拱桁架拉桿設(shè)計方案。

二、拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

1、工程概況

在某地區(qū)的一個生態(tài)園區(qū)的發(fā)展建設(shè)中，為了滿足生產(chǎn)的需要，要在園區(qū)內(nèi)建造一個鋼屋蓋結(jié)構(gòu)的大空間、大跨度建筑。在對工程進行設(shè)計的過程中，設(shè)計人員將屋蓋結(jié)構(gòu)的主體設(shè)計為采用鋼管立體桁架的結(jié)構(gòu)，其跨度為60m，柱距為8．1m，設(shè)計基準期為50年，設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)r0=1．0。

2、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

本工程施工前期，應(yīng)開發(fā)商要求，設(shè)計單位將工程的建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)格定義在簡單、大方之上，設(shè)計時盡量滿足大空間建筑需求，既保證了建筑結(jié)構(gòu)的實用性，又保證了建筑結(jié)構(gòu)的美觀性。實際設(shè)計時，設(shè)計人員采用大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，同時將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式確定為拱桁架，最終確定出了大跨度空間拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

為了滿足建筑結(jié)構(gòu)受力需求，設(shè)計人員在該套設(shè)計方案中融入了拱桁架拉桿結(jié)構(gòu)，目的在于利用拉桿結(jié)構(gòu)來分散拱桁架支座受力，減輕支座受到的拱結(jié)構(gòu)水平推力，達到節(jié)省施工材料，降低工程造價成本要求。

3、工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的比較

在確定拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案之前，設(shè)計人員探討出了幾種各具優(yōu)缺點的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并利用模型設(shè)計方式對幾種設(shè)計方案的設(shè)計參數(shù)作了仔細比較，結(jié)合設(shè)計參數(shù)分析了幾種結(jié)構(gòu)各自的受力特點，詳細方法如下：

3．1 模型設(shè)計及參數(shù)計算

對拱桁架結(jié)構(gòu)模型進行計算分析，得知拱桁架結(jié)構(gòu)屬性為平面結(jié)構(gòu)，因此本工程在分析拱桁架模型設(shè)計時，只選用一榀拱桁架作設(shè)計模型。該結(jié)構(gòu)設(shè)計模型中，拱桁架結(jié)構(gòu)的總跨度為60米，結(jié)構(gòu)高7．5米，橫截面形狀為倒三角形。該結(jié)構(gòu)在設(shè)計施工時選用了型號為Q235B，彈性模量E=2．06E11N/m2，屈服極限σs=235E6N/m2的鋼材料。拱桁架支座處理采用剛接和鉸支方式。分析計算拱桁架結(jié)構(gòu)模型時，設(shè)計者引進了ANSYS程序，計算得出相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)。

3．2 單榀拱桁架的受力分析

對于單榀拱桁架結(jié)構(gòu)的受力特點進行分析時，設(shè)計人員采用了結(jié)構(gòu)靜力分析法對各自結(jié)構(gòu)受力情況作了探討，并最終得出選用拉桿作為支座之間的連接方式是最具有經(jīng)濟價值和實用價值的，且比起其他方案，這種設(shè)計方式所具有的抗震性、經(jīng)濟性也更好，更能優(yōu)化拱桁架結(jié)構(gòu)受力。具體的方案設(shè)計方法和受力分析分別如下所示：

（1）Ⅰ方案拱桁架支座為兩端鉸支，其最大位移出現(xiàn)在跨中，值為54．2mm，下弦桿的內(nèi)力最大，值為101MPa。

（2）Ⅱ方案中，考慮了索的預(yù)應(yīng)力，通過調(diào)整張弦桁架中索的初始應(yīng)變的方式施加預(yù)應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)初始形態(tài)預(yù)起拱，按規(guī)定，幾乎所有結(jié)構(gòu)剛度不足工程均不需要對結(jié)構(gòu)在荷載下產(chǎn)生的彈性位移進行控制，而通過結(jié)構(gòu)的初始幾何形態(tài)的預(yù)起拱實現(xiàn)結(jié)構(gòu)正常使用的變形性能安全設(shè)計目標。但此時，結(jié)構(gòu)的絕對位移值超過250mm，如此大變形對屋面圍護次結(jié)構(gòu)、屋面防水連接構(gòu)造的正常使用的安全性能將產(chǎn)生嚴重不利影響。

（3）Ⅲ方案中，將拉索換為拉桿，其最大位移出現(xiàn)在跨中，值為87．8mm，下弦桿的內(nèi)力最大，值為91．8MPa。

3．3 方案分析

分析比較上述三種不同設(shè)計方案的優(yōu)缺點之后，得出以下幾點相關(guān)結(jié)論：Ⅰ方案的用鋼量和支座反力最大，而這恰恰與甲方要求用鋼量低、對下部結(jié)構(gòu)負荷小的要求相違背；Ⅱ方案在索施加預(yù)應(yīng)力的作用下，用鋼量最省，如對索施加預(yù)應(yīng)力來達到控制結(jié)構(gòu)撓度的要求，則所施加的預(yù)應(yīng)力較大，其索力約為670kN，上弦桿的斷面也相應(yīng)的增大，而且，施工難度比較大；Ⅲ方案的用鋼量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之間，且施工也不難，撓度也滿足規(guī)范的要求。由于結(jié)構(gòu)的自振特性是結(jié)構(gòu)動力的基本性質(zhì)，也是動力分析的基礎(chǔ)。對結(jié)構(gòu)進行動力特性分析可見，拉桿方案的基頻遠大于拉索方案的基頻，則說明Ⅲ方案的面內(nèi)剛度大于Ⅱ方案的面內(nèi)剛度，抗震性能良好。

三、結(jié)束語

綜上所述，拱桁架結(jié)構(gòu)目前在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)十分常見，尤其是在大跨度空間結(jié)構(gòu)中，其以自身所具備的良好經(jīng)濟性、實用性，受到了建筑設(shè)計人士的廣泛喜愛。鑒于拱桁架設(shè)計重點在支座處理，設(shè)計時如果在拱桁架結(jié)構(gòu)下方增設(shè)拉桿，利用拉桿來分散支座受力，緩解支座荷載，可在更大程度上提高拱桁架荷載能力，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低工程造價成本。由此可見，在拱桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最佳的設(shè)計優(yōu)化方式是支座處理，只要處理好了支座受力，最終所獲得的工程效果勢必會更好。

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