索拱組合門架結構的設計與分析

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摘要：結合一開發(fā)區(qū)入口處的景觀工程，介紹一索拱組合門架工程的結構體系特點、結構分析和設計及節(jié)點構造，可供類似設計參考。 

關鍵詞：索拱結構節(jié)點構造設計與分析  中圖分類號：s611文獻標識碼： a 文章編號：  abstract: combined with a development zone entrance landscape project, introduces the structure system, analysis and design and node structure of a cable- arch composite door frame structure.  keywords: cable-arch structurenod structuredesign and analysis    1、 工程概況  某開發(fā)區(qū)入口處的門架（門樓）工程是新區(qū)的門戶，地理位置較為顯著，建成后應體現(xiàn)門戶應有的形象，成為新區(qū)的一張名片。這就決定了該工程為一景觀建筑，建筑視覺效果是第一位的，結構的合理性只能屈從于建筑要求。經(jīng)過反復比選論證，決定采用索拱組合結構體系。主體結構由三部分組成，分別為拱、拉索、塔柱，如圖1所示。  （1）透視圖  （2）總平面圖  圖1 透視圖及總平面圖  主拱橫跨國道，采用三角形立體鋼管桁架結構，跨度為82.8m。拱所在的平面向地面傾斜，主拱剛接于地面。塔柱位于拱的一側，拱通過拉索錨固于混凝土塔柱上。索在提供給拱向上提升力以平衡重力的同時對拱施加一個橫向分力，這就要求拱本身具有一定的橫向剛度來抵抗該橫向力。拱采用由三弦組成的三角形立體鋼管桁架結構,該結構能很好地提供拱所需的橫向剛度，同時又具有立體感，不失美觀。各弦兩兩組成平面，各弦桿和腹桿位置相互關系如圖2所示。    圖2 弦桿、腹桿平面位置圖  弦1、弦2、弦3弦長均為82.8m，矢高分別為21.4m、20.9m、16.9m。弦桿采用的鋼管規(guī)格為450x10；腹桿除在拱腳位置處采用245x16鋼管外，其余位置處均采用245x8鋼管。  拉索采用ovm預應力鋼絲束，規(guī)格為15-4，根數(shù)為8根。在該結構體系中，拉索并不是額外增加體系剛度的附屬構件，而是不可缺少的主體構件。  塔柱全高49.9m,錨固點高34m. 塔柱作為整個結構體系的抗力構件，要求其剛度大，并具有視覺上的厚重感。經(jīng)過綜合考慮，塔柱采用鋼筋混凝土變截面結構，柱底截面邊長4.2m、柱頂截面邊長2.3m。混凝土塔柱頂設置一焊接球殼裝飾結構，直徑5.6m.  2、 結構計算  該結構為空間受力體系，整個結構跨度大、高度較高，結構受力體系較復雜，結構計算采用空間結構分析設計軟件midas。  2.1荷載取值  恒載：包括結構自重和上部膜結構重量，考慮節(jié)點和防腐材料等?；钶d：考慮到雪以及結冰等，取0.5kn/m2。風荷載：基本風壓，0.45 kn/m2，類別：a類，風振系數(shù)2.0，體系系數(shù)1.4。溫度：考慮正負25°c。地震：6度（0.05g），設計分組為第一組，分別考慮水平和豎向地震。  2.2荷載組合  共考慮18種荷載組合：  1)恒載( 1.200) +活載( 1.400)  2)恒載( 0.500) +風荷載 (左)( 1.400)  3)恒載( 1.200) +風荷載(左)(-1.400)  4)恒載( 1.200) +活載( 1.260) +風荷載(左)(-1.260)  5)恒載( 1.200) +活載( 1.260) +風荷載(橫)( 1.260)  6)恒載( 1.200) +活載( 1.260) +風荷載(橫)(-1.260)  7)恒載( 1.200) +活載( 1.260) +溫度( 1.260)  8)恒載( 1.200) +活載( 1.260) +溫度(-1.260)  9)恒載( 1.200) +風荷載(橫)( 1.400)  10)恒載( 1.200) +風荷載(橫)(-1.400)  11)恒載( 1.200) +溫度( 1.400)  12)恒載( 1.200) +溫度(-1.400)  13)恒載( 1.200) +活載(0.500)+地震（水平）( 1.300)+地震（豎向）(0.500)  14)恒載( 1.200) +活載(0.500)+ 地震（水平）( -1.300)+地震（豎向）(-0.500)  15)恒載( 1.200) +活載(0.500)+ 0.9（地震（水平）( 1.300)+地震（豎向）(0.500)+ 溫度( 1.400)）  16)恒載( 1.200) +活載(0.500)+ 0.9（地震（水平）( -1.300)+地震（豎向）(-0.500)+ 溫度( 1.400)）  17)恒載( 1.200) +活載(0.500)+ 0.9（地震（水平）(1.300)+地震（豎向）(0.500)+ 溫度( -1.400)）  18恒載( 1.200) +活載(0.500)+ 0.9（地震（水平）(- 1.300)+地震（豎向）(-0.500)+ 溫度( -1.400)）  2.3主要計算結果  2.3.1撓度驗算  經(jīng)過反復調索，采用8根拉索，預拉力控制在120kn，各個索的預拉力相同。在最不利荷載作用下的結構豎向變形如圖3、4所示。  圖3結構豎向最大變形（向上）(單位：mm)  圖4結構豎向最小變形（向下）(單位：mm)  通過以上分析結果可以看出，預應力基本能夠抵消結構自重產生的結構變形。結構最大豎向變形為158mm，跨度近似取82m，158/82000=1/519<1/400，滿足《鋼結構設計規(guī)范》（gb50017-2003）的設計要求。  2.3.2弦桿、腹桿穩(wěn)定應力驗算  弦桿在最不利荷載作用下的最大穩(wěn)定應力比為0.57，腹桿在最不利荷載作用下的最大穩(wěn)定應力比為0.54，滿足《鋼結構設計規(guī)范》（gb50017-2003）的設計要求。弦桿、腹桿的最大穩(wěn)定應力均出現(xiàn)在拱腳位置附近。  2.3.3基礎驗算  塔柱及主拱基礎均采用樁基礎，兩樁基礎均受軸向力和水平力的聯(lián)合作用。采用《建筑樁基技術規(guī)范》（jgj 94-2008）進行驗算，樁基承載力滿足軸向力作用下 ,及偏心力作用下 的要求。  3、節(jié)點設計  節(jié)點設計應做到：符合計算模型的受力模式，構造合理、耐久可靠、便于施工。  弦桿與腹桿鋼管之間的連接采用直接相貫的焊接節(jié)點，弦桿與拉索之間的連接通過焊接在弦桿上的耳板連接，如圖5所示。  圖5 弦桿、腹桿及拉索節(jié)點圖  拱腳節(jié)點采用剛接點，全焊接結構。拱拱腳節(jié)點設計如圖6所示。  圖6 拱腳節(jié)點圖  其具體方案為：①首先完成承臺第一次澆注和錨栓設置；②安裝鋼管柱腳和鋼格室結構，并預留澆注孔和冒漿孔；③完成承臺第二次澆注，并保證鋼管柱腳和鋼格室混凝土灌注密實；④吊裝主拱就位，完成主拱各弦桿和鋼格室頂板的焊接，并加焊弦桿加勁肋。  拉索在塔柱上的錨固通過在混凝土塔柱頂埋鋼管，然后在頂埋鋼管上焊接耳板來實現(xiàn)，如圖7所示。  圖7 拉索在塔柱上的錨固節(jié)點  4、 結語  本工程是一個結構整體性較差、剛度較弱的預張力索拱組合結構體系，其設計與分析同時受剛度、承載力和穩(wěn)定性的控制，拱、拉索、塔柱等構件的合理選型和相對位置布置是其設計成功的關鍵；同時各節(jié)點的設計也是其得以實現(xiàn)的重要保證。  參考文獻  [1] 《鋼結構設計規(guī)范》（gb50017-2003）；  [2] 《建筑樁基技術規(guī)范》（jgj 94-2008）。  作者簡介：洪英維；性別：男；出生年月：1979年7月；籍貫：江西奉新；學歷：碩士  工作單位：江西省交通設計院；職稱：工程師；  注：文章內所有公式及圖表請用pdf形式查看。