廣州市設計院 廣州 510620

摘要：對大跨度拱形結構方案進行計算對比，采用空間桁架結構，節(jié)省用鋼量。通過整體穩(wěn)定性分析，在滿足使用功能的前提下，選擇合理的面外支撐。針對本工程的拱腳反力特點，選擇合理的支座方式，提高了實際受力與計算模型假設的一致性，取得了良好的效果。

關鍵詞：鋼結構；大跨度拱；穩(wěn)定

Stability and support design of large span arch steel

Zhou kai，Lan cheng，Xiong wei，Han jianqiang，Wang weiming，

（Guangzhou Design Institute，Guangzhou510620）

Abstract：The calculation and comparison of the large span arch structure is carried out，and the space truss structure is adopted to save steel.Through the overall stability analysis，in the premise of meeting the use of functions，the selection of reasonable external support.In view of the characteristics of the anti stress of the arch foot in this project，the reasonable support method is chosen，and the consistency of the actual force and the calculation model is improved.

Keywords：Steel structure；Large span arch；Stable

1工程概況

國際馬戲新館位于珠海橫琴長隆海洋王國東側。擬作為2015年舉辦國際馬戲節(jié)的主場館之一，項目效果圖詳1.1-1。

本工程結構采用鋼拱桁架加索膜結構形式，主要由尾部6榀鋼桁架拱及頭部6根鋼立柱組成。頭部六根立柱通過拉索拉結在鋼拱桁架上。桁架最高點為30m，鋼柱最高點為38.5m，桁架最大跨度75.06m。

圖1.1-1 整體效果圖

2結構整體選型研究

根據(jù)本工程的特點，拱圈可考慮的結構形式主要有單根圓鋼管拱結構和空間桁架拱形式。針對這兩種結構形式分別進行了計算。計算軟件采用Midas gen8.36。根據(jù)計算結果并綜合施工、安全、經(jīng)濟等各方面進行綜合比較與選擇。

2.1 兩種結構形式計算模型

2.1.1單根圓鋼管拱結構計算模型

單根圓鋼管拱的結構形式為主拱圈為一根圓鋼管，鋼管底部鉸接，建筑造型及表演通道都設置在這根主鋼管上，計算模型如圖2.1-1。

圖2.1-1 單根圓鋼管拱計算模型

2.1.2空間桁架拱結構計算模型

空間桁架拱的結構形式為主拱圈為矩形的空間桁架，為滿足建筑要求，在拱底部漸變?yōu)槿切慰臻g桁架，拱腳采用單邊雙拱腳，主拱圈可兼做表演通道，計算模型如圖2.1-2。

2.2 兩種結構形式的初步計算以及經(jīng)濟性分析

下面將就單根圓鋼管拱和空間桁架拱兩種不同結構形式進行初步計算和分析，比較兩種結構方案的可行性。本工程尾部鋼桁架拱部分與頭部膜結構部分分開計算，將頭部膜結構部分的計算結果根據(jù)不同工況加載在尾部鋼桁架拱上。以下兩種方案的計算均在相同的計算假定和荷載條件情況下進行分析。

2.2.1 單根圓鋼管拱結構的計算結果及特點

根據(jù)計算結果，風荷載作用下的桁架最大位移為56mm，，撓跨比為1/446。軟件統(tǒng)計的總用鋼量為410噸。采用單根圓鋼管拱結構的特點有：

1、主受力拱采用單一圓鋼管，受力簡單、明確。

2、主受力拱采用單一圓鋼管，拱圈施工難度小，安裝方便。

3、由于演藝需要，在沿拱軸方向需要加設桿件做馬道。

4、主拱圈截面大，拱腳處不美觀。

5、拱腳采用鉸接，在膜結構張拉施工過程中需要提供可靠的側向支撐。

6、用鋼量相對大。

圖2.1-2空間桁架拱計算模型

2.2.2 空間桁架拱結構的計算結果及特點

根據(jù)計算結果，風荷載作用下的桁架最大位移為54mm，撓跨比為1/462。軟件統(tǒng)計的總用鋼量為340噸。采用空間桁架拱結構的特點有：

1、由于桁架拱采用的柱腳為單邊雙柱腳方案，桁架拱自身有一定剛度，對施工時的側向穩(wěn)定支2、撐要求降低，利于施工時的安全性。

3、柱腳構件較小，柱腳節(jié)點也小，有利于施工及美觀。

4、桁架拱可兼做馬道使用，采用圓管拱需沿拱方向另吊設馬道。

5、由于采用可拆卸方案，桿件較多，節(jié)點用鋼量會增加，且施工難度會大一些。

6、用鋼量相對小。

2.3 結構選型

通過前面的計算結構及綜合分析，兩種結構的安全指標都滿足要求，采用空間桁架拱方案的用鋼量比采用單根圓鋼管拱方案要少20%。綜合考慮施工速度、建筑及表演施工功能、特別是經(jīng)濟性等因素，本工程主拱結構體采用空間桁架拱方案。

3整體穩(wěn)定性分析

3.1 面外支撐結構的確定

大跨度拱結構是本工程的一個主要特點。拱圈是以受壓為主的壓彎構件，因此穩(wěn)定性顯得尤為重要。拱形鋼結構的設計，不僅要滿足平面內(nèi)穩(wěn)定承載力的要求，也應考慮面外支撐的設置。對于本工程而言，兩榀桁架之間的距離有15m，屋面形式采用張拉膜結構，建筑有造型要求，很難通過設置鋼支撐等方式滿足面外穩(wěn)定的要求，綜合建筑，表演要求等各方面因素，有兩種方案供選擇：

1、不設置面外支撐，主桁架拱每隔一定距設置拉索，拉索一段固定在主桁架拱上，一端固定在地面上。

2、分別在拱頂、1/4、3/4拱圈位置設置三條縱向桁架，三條縱向桁架尾部坐落在尾部混凝土結構上，其中拱頂?shù)目v向桁架可兼做馬道使用。

分別就以上兩種方案進行初步對比選擇認為，方案一能很好的滿足建筑對于外形上的要求，但是也有明顯的缺點：

1）、由于桁架與拉索一起計算，屬于多次張拉的超靜定結構，計算上要求高，受力復雜。

2）、在施工中，由于拉索要多次張拉，對施工工藝要求較高。

方案二中，縱向桁架在主桁架下弦也能很好的滿足建筑對于外形上的要求，拱頂桁架可兼做馬道使用，能很好的滿足演藝、檢修等要求，而且施工簡單，施工過程中可以形成面外支撐，故綜合各方面的考慮，我們初步?jīng)Q定采用方案二。

3.2 整體穩(wěn)定性分析結果

根據(jù)初步選定的結構方案二，采用大型有限元分析軟件ansys對不同工況組合下結構整體穩(wěn)定進行計算分析，并選取最不利組合下考慮結構初始缺陷的非線性穩(wěn)定分析。

3.2.1 線性穩(wěn)定分析結果

選取不同的荷載工況，主要是恒載、活荷載、風荷載的不同組合，分別進行穩(wěn)定性計算，計算結果如表3.2-1。

表3.2-1各種組合工況臨界荷載倍數(shù)

組合恒+活恒+風（X）恒+風（-X）恒+風（y）恒+活+風（X）恒+活+風（-X）恒+活+風（y）

穩(wěn)定系數(shù)8.3510.510.07.3110.09.584.95

根據(jù)以上計算結果看出，對穩(wěn)定最不利的荷載為恒+活+風（y），最不利荷載組合下整體穩(wěn)定系數(shù)接近5。

3.2.2 非線性穩(wěn)定分析結果

根據(jù)線性穩(wěn)定計算結果，我們選取了恒+活+風（y）組合作為非線性計算的荷載組合。參考《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》JGJ7-2010，采用結構最低階屈曲模態(tài)，缺陷值按照跨度的1/300來取值，材料為線彈性。計算結果如圖3.2-1

圖3.2-1 荷載位移曲線

根據(jù)荷載位移曲線圖可以看出，穩(wěn)定系數(shù)在4.5左右，荷載位移曲線會出現(xiàn)較大分離，穩(wěn)定系數(shù)在4.8左右會出現(xiàn)較大背離。故考慮初始缺陷的非線性穩(wěn)定系數(shù)可取4.5。參考《空間網(wǎng)格結構技術規(guī)程》JGJ7-2010中對于單層球面網(wǎng)殼考慮初始缺陷的穩(wěn)定系數(shù)為4.2。本工程的整體穩(wěn)定符合要求。

4拱腳支座的選擇

拱腳的選擇主要是根據(jù)工程的反力特點以及計算模型的假定來選擇合適的拱腳節(jié)點。本工程的拱腳采用兩個方向鉸接的分叉拱腳。本工程的拱腳除了有拱軸面內(nèi)的壓力和剪力外，還有面外的剪力和較大拔力。目前對于鉸接拱腳的選擇用的最多的是銷軸節(jié)點以及球形鉸支座節(jié)點。

4.1 銷軸節(jié)點

銷軸節(jié)點傳力明確、構造簡單，可近似作為理想的鉸接節(jié)點，能夠有效地消除柱底彎矩，同時在建筑中又比較美觀，因此在當代的鋼結構體系的公共建筑中經(jīng)常采用。對于本工程來說，采用銷軸支座的優(yōu)點有：

1、銷軸節(jié)點構造簡單，實際受力與計算模型中的鉸接非常接近。

2、銷軸節(jié)點能夠承擔較大的壓力以及拔力。

3、銷軸節(jié)點造價便宜，有良好的經(jīng)濟效益。

然而對本工程反力特點而言，拱腳會產(chǎn)生較大的面外剪力，以及附加彎矩。銷軸節(jié)點能很好抵抗面內(nèi)的剪力及釋放面內(nèi)的彎矩，但是很難抵抗面外的剪力，以及由面外剪力產(chǎn)生的附加彎矩，故本工程拱腳不宜采用銷軸節(jié)點。

4.2 球形鉸支座節(jié)點

我國目前建筑工程中的球鉸支座來源于橋梁支座，并大量應用在鋼結構等建筑工程中。目前使用最廣泛的為固定球鉸支座，固定球鉸支座指不允許有任何方向上的位移，但允許有任何方向的轉(zhuǎn)角。就本工程而言，使用球形鉸支座的優(yōu)點在于：

1、球鉸支座能抵抗兩個方向的剪力，以及釋放兩個方向的彎矩，與本工程計算模型中支座的假設吻合，實際受力接近于模型的假設，增強了可靠性。

2、球鉸支座能承受豎向的壓力以及拉力。

3、可滿足任意方向的轉(zhuǎn)動。

4、球鉸支座不使用橡膠，不存在橡膠老化對支座的影響，使得支座有較長的壽命。

但是，對于本工程而言，在使用固定球鉸支座上也有要注意的地方：

1、由于有較大轉(zhuǎn)動，故設計轉(zhuǎn)角應比一般球鉸支座大

2、由于拉索的作用，本工程的拔力較大，但大拔力的球鉸支座在工程中的應用并不常見，需要廠家精心設計。

3、造價上要比銷軸支座要高。

綜合兩種支座各自的優(yōu)缺點，以及結合本工程的實際受力情況，最終我們選擇了固定球鉸支座。從實際使用的情況來看，取得了良好的效果。詳圖4.2-1。

圖4.2-1 球鉸支座

5小結

綜上所述，本文以實際工程為背景，對大跨度鋼拱結構的結構方案選型、穩(wěn)定性分析、支座的選取三個方面進行分析研究，為今后類似工程提供參考，并得出了以下幾點成果及建議：

1、通過穩(wěn)定性分析，確定了合理的側向支撐布置方式，即避免了由于側向支撐不夠?qū)е碌闹鞴皞认蚴Х€(wěn)的安全隱患，又不因為側向支撐設置過多導致影響使用功能及增加鋼材用量。

2、通過對比圓管拱與空間桁架拱方案，采用空間桁架拱能節(jié)約20%左右用鋼量，取得較好的經(jīng)濟效益。

3、針對鋼結構拱柱腳的反力特征，采用了固定球鉸支座布置方式，提高了計算模型與實際受力的一致性，提高了結構安全度，避免了傳統(tǒng)的銷軸連接方式可能會因水平力導致的支座破壞。

4、對于大跨度拱結構而言，由于其承受較大的壓力，實際工程中又可能受到建筑及使用上的限制，其穩(wěn)定支撐的選擇尤為重要，可通過對其穩(wěn)定性的有限元分析結果，選擇合理的支撐布置。

5、支座是將上部結構荷載傳給基礎的一個重要構件，對于大跨度結構而言，其支座要根據(jù)其反力特點選擇一個施工簡單、受力明確并且與計算模型假設相符合的支座形式，以確保結構的安全。