索在张弦拱结构中的使用

史德博 黄 伟

索在张弦拱结构中的使用

史德博 黄 伟

本文结合实际工程，对张弦拱结构中索对结构的贡献及索内预应力的确定标准做了分析，指出在张弦拱体系中，柔索与刚性拱相互结合，相互补充，比任何一种单独的结构更合理、更经济。

张弦拱；主索；稳定索；对称斜拱

一、工程概况

本工程由三部分组成，两边为对称布置的柱面钢框架，由焊接工字型主次钢梁体系组成；中间为6对斜放的对称张弦拱形成主框架，上放连续檩条而形成的一个空间结构。拱架跨度为60m，矢高9m；两端的拱架之间拱脚有水平拉索相连，5等分处有4条垂直稳定索与两边拱架间的短杆相连；中间四跨拱架拱脚有矢高为5m的弧形索相连，20等分处有19对稳定索与两边拱架相连。支座采用铸钢不动铰支座。本文重点阐述张弦拱中索的使用情况，计算模型及平面尺寸如下图。

斜拱截面为Φ800x20螺旋焊接钢管；檩条截面为口400×200×8，端部檩条截面为口400×200× 10；钢材材质为Q235C。

计算模型

主索截面为5×337(Φ100)，5×187(Φ75)，稳定副索截面为5×13(Φ22)，钢索为半平行预应力钢索，二级松弛，外包PE，Rm=1670MPa，单根钢丝直径5mm。

支撑混凝土柱截面为2800×1200。

二、拉索在张弦拱结构中的贡献

1.减少拱脚水平推力及柱顶侧移

工程上常用的两铰拱有两种形式，即无拉杆的两铰拱 (见图1a)和有拉杆的两铰拱 (见图1b)，根据建筑使用上的不同要求及材料供应情况，可变动拉杆的位置和形状，如适当提高拉杆的位置，或用若干根短杆组成杆系代替单根拉杆 (见图1c、d)。

图1

2.协调相邻拱架的竖向挠度和水平侧移

因本工程各拱架下支撑柱的截面相同但长度不同，线刚度不同，故在相同的荷载作用下拱架的内力和变形也不同。这将产生两个不良后果，一方面使拱架间的连接节点 (见图2)内因两侧的变形不同而产生较大的附加内力，另一方面使拱架上的檩条因两支撑端位移的不同而引起附加内力。

通过调整拱架间拉索内的预应力使相邻拱架间的水平侧移和竖向挠度的差值控制在1cm以内，从而最大限度的减小拱架间连接节点和檩条内的附加内力。

三、拉索施加预应力的目标

1.柱顶侧移的限制

表1

图3

2.根据实际经验要求相邻拱架上对应节点的水平侧移和竖向挠度的差值不超过10mm，如此能尽可能减少结构内的附加内力，通过调整索内的预应力来满足此 (结果见表3)。

3.保证在所用工况下索不退出工作，也就是在任何工况组合下索内只有拉力。各根索在使用过程中的最大和最小轴力如表2所示：

表2

4.确保在最不利荷载组合下索内拉力在拉索破断力的0.4倍以下。

各主索的最大破断力及所要求的受力限制如表3所示：

表3

综合考虑以上几种因素，确定各根主索内施加的初始预应力如表4所示：

表4 索内施加预应力

四、结 论

1.加索和不加索拱脚水平推力的对比如下图。

加索后拱脚支座反力的最大值

不加索拱脚支座反力最大值

2.加索和不加索1/2和1/4拱跨处的竖向位移对比如表5(节点编号见平面图)。

表5

通过以上两个图表的对比可以看出加索后拱脚的水平推力减少了35%～60%，控制点处的位移减少了10%～45%，从而可以得出以下结论：

1.由于在拱脚添加钢索，通过张拉钢索，使索与拱互相压紧，形成预应力索拱体系，从而使张弦结构的整体刚度大于单纯刚性构件的刚度；因此在同样荷载的作用下，张弦结构的变形比单纯刚性构件的变形小得多。

2.通过索的预张力作用对刚性构件施加反向荷载，从而达到调整刚性构件内部的弯矩大小和分布的目的。

3.因为刚性拱的受力特征，在支座处产生很大的水平推力；索的引入可以平衡掉部分此推力，从而减少对下部结构抗侧力的要求。

4.由于刚性拱的存在，使得钢索不需施加很大的预应力，从而使支撑结构的负担得以减轻。与单一工作的拱相比，索拱体系内的拱与张紧的索相连，不易发生整体失稳，因此所需拱的截面较小。

以上说明索拱体系中，柔索与刚性拱相互结合，相互补充，比任何一种单独的结构更合理、更经济。

[1]《建筑抗震设计规范》 (GB 50011-2001).

[2]《钢结构设计规范》 （GB50017-2003）.

[3]王荫长，刘铮，周文群，李青宁.结构力学.冶金工业出版社 1998

[4]沈世钊，徐崇宝，赵臣，武岳.悬索结构设计.(第二版).中国建筑工业出版社

TU356

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1671-3362（2010）03-0024-04

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