弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析2

弦支穹頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析來(lái)源網(wǎng)絡(luò)作者：彭添劉振華劉祥字發(fā)布于2012/12/2216:53:29評(píng)論(0)有16人閱讀1工程概況

三亞市體育中心(三亞市中等職業(yè)技術(shù)學(xué)校二期場(chǎng)館)位于海南省三亞市，西臨師部農(nóng)場(chǎng)路，南接金雞嶺路，東靠東岸北路，北側(cè)為技術(shù)學(xué)院一期工程用地，由體育館、體育場(chǎng)、游泳館三部分組成，是三亞市及職業(yè)學(xué)校新校區(qū)的標(biāo)志性建筑群。體育館總建筑面積12764．8m2，總座位2934席；屋蓋覆蓋面積6550m2，采用預(yù)應(yīng)力弦支穹頂鋼結(jié)構(gòu)體系。游泳館總建筑面積4621．3m2，337座，屋蓋覆蓋面積3700m2，采用焊接球空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。體育館主館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋形狀為圓形，直徑為75．36m，屋蓋矢高為8．288m；整個(gè)屋蓋覆蓋面積為3700m2。屋蓋采用弦支穹頂結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)體系由上部單層網(wǎng)殼和下部弦支索桿體系構(gòu)成，上部單層網(wǎng)殼網(wǎng)格布置形式為Kiewitt型；下部弦支索桿體系以肋環(huán)型布置，設(shè)置3道環(huán)索，徑向?yàn)殇摾瓧U；其中撐桿采用圓鋼管，上下端鉸接。該結(jié)構(gòu)具有用鋼量小、結(jié)構(gòu)輕盈、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面類(lèi)型少的特點(diǎn)。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。本工程索承單層網(wǎng)殼屋蓋，除具有一般索承單層網(wǎng)殼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)。

1)網(wǎng)殼矢高為8．288m，矢跨比為8．288／75．36=0．11。網(wǎng)殼矢跨比不大，屋蓋剛度一般，在施加預(yù)應(yīng)力后，其網(wǎng)殼面外剛度有較大提高。

2)屋蓋結(jié)構(gòu)與下部混凝土結(jié)構(gòu)采用三向鉸支座。

3)在使用階段，結(jié)構(gòu)主要受力狀況為：環(huán)向桿和拉索受拉，徑向桿和撐桿受壓。而在預(yù)應(yīng)力張拉階段，除索受拉外，網(wǎng)殼各桿件和撐桿均受壓。

4)在撐桿下節(jié)點(diǎn)處，撐桿、環(huán)索和徑向鋼棒的內(nèi)力相互平衡，其中環(huán)索內(nèi)力最大，撐桿內(nèi)力最小。改動(dòng)其中任何一個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力，其他構(gòu)件的內(nèi)力也相應(yīng)改變。5)索承單層網(wǎng)殼屋蓋為圓球形，且各方向上的結(jié)構(gòu)布置較為均勻，因此結(jié)構(gòu)受力比較均勻，內(nèi)力變化幅度比較小。

6)對(duì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件布置情況及傳力特點(diǎn)的分析得知，中心處由環(huán)向索、徑向鋼棒、豎向撐桿及鋼管網(wǎng)殼組成的屋蓋可以作為一個(gè)自承重的結(jié)構(gòu)受力單元；其內(nèi)力通過(guò)外層鋼管網(wǎng)殼傳遞至下一圈由環(huán)向索、徑向鋼棒、豎向撐桿及鋼管網(wǎng)殼組成的結(jié)構(gòu)單元，此單元不能自承重，而是通過(guò)與上一層結(jié)構(gòu)單元聯(lián)合組成能自承重的結(jié)構(gòu)受力單元。整個(gè)屋蓋通過(guò)此種受力形式，將內(nèi)力由上至下、一圈一圈逐漸傳遞至最底層的支座處。

2結(jié)構(gòu)選型

2．1弦支穹頂結(jié)構(gòu)拉索與徑向鋼棒

張弦梁拉索有3種規(guī)格，從外到內(nèi)分別為Φ7×163、Φ7×73和Φ7×37高強(qiáng)度低松弛鍍鋅鋼絲束，拉索有效截面面積分別為6276，2810，1425mm2，拉索抗拉強(qiáng)度為1670MPa，拉索錨具采用40Cr鋼；徑向鋼棒為高強(qiáng)低合金鋼，外圈Φ75，內(nèi)部?jī)扇Ζ?5，屈服強(qiáng)度不低于550MPa。為了使受力更合理，將弦支穹頂?shù)睦麇^固端節(jié)點(diǎn)設(shè)置在上弦截面的形心處，使拉索中的拉力由相交于一點(diǎn)的撐桿直接傳遞到弦桿上，同時(shí)也簡(jiǎn)化了拉索錨固端節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造。為了方便施工，張弦梁與撐桿間的連接采用了銷(xiāo)軸式連接，索的布置如圖2所示。

2．2弦支穹頂結(jié)構(gòu)撐桿

弦支穹頂結(jié)構(gòu)撐桿布置如圖3所示，材質(zhì)為Q345一B。

3荷載設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)構(gòu)作用荷載有預(yù)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)自重、屋面及馬道懸掛恒載、屋面及馬道活荷載或雪荷載、風(fēng)荷載、溫度及地震作用。

3．1恒荷栽

1)屋面：1．0kN／m2(不含結(jié)構(gòu)自重)。

2)馬道吊掛荷載：1．0kN／m2。

3．2活荷載

1)屋面：0．5kN／m2。

2)馬道：1．0kN／m2。

3．3風(fēng)荷載

三亞市100年一遇基本風(fēng)壓為1．05kN／m2，建筑場(chǎng)地周?chē)鸀锽類(lèi)地貌，結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)取為1．5。由于屋蓋結(jié)構(gòu)體型相對(duì)復(fù)雜，要獲取準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

3．4地震作用

三亞市抗震設(shè)防烈度為6度(0．05g)，地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為I類(lèi)。

3．5溫度作用

使用階段溫差取±25℃。

4弦支穹頂結(jié)構(gòu)初始態(tài)計(jì)算

由于結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，初始預(yù)張力對(duì)弦支穹頂?shù)膬?nèi)力和初始變形影響較大，如何合理確定初始預(yù)張力是索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本結(jié)構(gòu)在分析時(shí)，綜合考慮以下因素：

1)在各可能工況下，索應(yīng)保持拉力，并有一定安全儲(chǔ)備，且不超過(guò)規(guī)定的應(yīng)力比。

2)過(guò)小的預(yù)張力可能使索在某些荷載組合下退出工作，處于松弛狀態(tài)。

3)過(guò)大的預(yù)張力使索張拉施工不便。

4)預(yù)張力不應(yīng)使上弦構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)大的反拱值。

5)過(guò)大的預(yù)張力會(huì)增加結(jié)構(gòu)施工的難度。

6)增加預(yù)應(yīng)力可以增加下弦拉索的平面外剛度，但會(huì)增加上弦構(gòu)件的軸向應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)不利。

在設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)大量方案比較后，綜合權(quán)衡多種因素，最終確定初始預(yù)張力控制值如圖4所示，按照此控制值找形后，結(jié)構(gòu)變形如圖5所示，初始態(tài)下的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

5弦支穹頂結(jié)構(gòu)荷載態(tài)計(jì)算

初始態(tài)分析完成后，按照荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的荷載態(tài)分析。結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析時(shí)，構(gòu)件中除拉索為索單元外，其他構(gòu)件均為梁和桿單元。最不利荷載組合下結(jié)構(gòu)變形如圖6所示，荷載態(tài)下的計(jì)算結(jié)果如表2所示。結(jié)構(gòu)荷載態(tài)分析結(jié)果如下：

1)所有粱桿強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿(mǎn)足GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2)39(1)組合下外環(huán)索的索力是所有組合中最大的；39(2)組合下中環(huán)索的索力是所有組合中最大的；29(1)組合下內(nèi)環(huán)索索力是所有組合中最大的。

3)初始態(tài)下，張弦梁跨中最大初始反拱值為94．4mm，撓跨比f(wàn)／L為1／798；荷載態(tài)下，最大撓度為96．1mm，最大撓跨比f(wàn)／L為1／784，滿(mǎn)足小于1／250的要求。

4)荷載態(tài)下，拉索Φ7×163中的最大拉應(yīng)力為612MPa，最大應(yīng)力比為0．37；拉索Φ7×73中的最大拉應(yīng)力為449MPa，最大應(yīng)力比為0．27；Φ7×37中的最大拉應(yīng)力為266MPa，最大應(yīng)力比為0．16；其他構(gòu)件應(yīng)力水平也較合理。由此可以看出，拉索的材料強(qiáng)度已充分利用。

6弦支穹頂結(jié)構(gòu)地震作用分析

按照地震設(shè)計(jì)參數(shù)，采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)地震特性分析，得到結(jié)構(gòu)前6階周期分別為：0．25620，0．25505，0．23435，0．21091，0．21042，0．20469s，其前6階振型如圖7所示。從整體結(jié)構(gòu)的自振周期看，前6階周期較接近，這也反映了大跨空間結(jié)構(gòu)自振頻率比較密集的基本規(guī)律；從振型圖中可以看到，結(jié)構(gòu)整體剛度比較均勻。

7結(jié)論

1)由于索桿預(yù)應(yīng)力體系能夠明顯地提高單層網(wǎng)殼的強(qiáng)度和剛度，所以，弦支穹頂結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能。同時(shí)桿件的布置形式靈活，可以較好地滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)美觀的要求。由于預(yù)應(yīng)力的存在，弦支穹頂結(jié)構(gòu)為自平衡體系，能有效地減輕自身結(jié)構(gòu)的重量和下部結(jié)構(gòu)的支座反力，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

2)弦支穹頂?shù)氖┕埨^(guò)程分析對(duì)實(shí)際工程施工是必要的：一方面可以預(yù)先驗(yàn)證施工方案的可行性；另一方面可以為實(shí)際施工提供控制參數(shù)，以確保實(shí)際施工的順利進(jìn)行。3)從對(duì)結(jié)構(gòu)的初始態(tài)分析中可以看出，弦支穹頂結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力的存在能夠有效地改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，降低桿件內(nèi)力幅值。選用合理的預(yù)應(yīng)力值可以很好地改善結(jié)構(gòu)的靜力性能，但預(yù)應(yīng)力并不是越大越好，過(guò)大的預(yù)應(yīng)力會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利的影響。

4)從整體結(jié)構(gòu)的自振周期和振型來(lái)看，整體結(jié)構(gòu)周期較短，這充分說(shuō)明了索預(yù)張力對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度有了明顯改善，提高了整體剛度。

參考文獻(xiàn)

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