索结构工程设计实例分析与索结构特点

索结构工程设计实例分析与索结构特点

作者：屈明

来源：《科技创新导报》 2011年第21期

索结构工程设计实例分析与索结构特点

屈明

（天津市铁道部第三勘察设计院建筑分院天津 300457）

摘要：阐述张弦梁结构的基本概念，引用具体实例说明张弦梁结构的设计方法。其次介绍

了索的刚度和索结构的三种受力状态。

关键词：张弦梁结构索结构刚度预应力三种受力状态

中图分类号：TV73 文献标识码：A

文章编号：1674-098x(2011)07(c)-0000-00

大跨度张弦梁结构是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。结构由刚

度较大的抗弯构件(又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架)和高强度的弦(又称柔性构件，通常为索)以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度

的结构。

天津站无站台柱雨棚的主体屋架结构就是张弦梁结构,其最大跨度为48.525m。雨棚分东西

两部分，西侧雨棚宽度为147m，长度为213m，纵向设温度缝一道，分为2个温度区段；东侧雨棚宽度为253.5m，长度213m,纵向设温度缝两道,分为3个温度区段。雨棚纵向共有20榀刚架，榀间距为20m。每一榀刚架又由五连跨横向5榀张弦梁刚架组成，跨度从南到北分别为

48.525m,41.1m,41.95m,41.95m ,39.5m。刚架的纵向平面外稳定由屋面的支撑系统保证。刚架

梁为张弦梁，柱为圆钢管混凝土柱，规格为。柱顶标高9.5m,通过四棱锥状的分叉柱与张弦屋

架铰接连接，锥角为，锥体高度为3.3m，分叉柱与张弦屋架以销轴形式实现理想铰接。分叉柱

为圆钢管，直接过渡成锥形钢管。张弦梁屋架中上弦为拱形桁架结构，拱顶标高15.9m.矢高

3.1m。预张力索为低松弛冷拔钢丝束，强度设计值1670，直接充当屋架的下弦，外形是一条下

凹的抛物线，垂跨比接近1:30.索与拱形桁架之间通过“V”字状的竖腹杆连接。拱形桁架弦杆

为圆钢管，腹杆为圆钢管。V”字状的竖腹杆为圆钢管。索一方面充当受拉的下弦结构单元，另一方面又通过竖腹杆对刚性的上弦施加了与主要外部荷载作用效应相反的预张力，提高了上弦

构件的承载能力。刚性的上弦截面提供了结构的竖直向平面内刚度；下弦铰接节点平面外的刚

度由下弦预张力刚度予以保证，结构体系为半刚性结构。这种索与拱形桁架的组合结构体系组

合了索结构和拱结构两种结构的优点。索增加了拱的平面内稳定性能，同时又减少了拱的水平

推力；拱提高了索的平面内刚度，有效减小荷载作用下，结构的变形。与常规刚性屋盖相比，

用钢量大大节省。由于整个屋面体系由平面屋架通过纵向交叉支撑连接形成的，结构在竖向荷

载作用下，可以取一榀结构进行分析。下面仅以GJ1为例介绍该体系初始张拉力确定、荷载作

用下的力学性能，动力特性和纵向地震作用下取整个结构体系计算。所采用的结构分析软件为MIDAS。GJ1计算模型如图所：

单榀：

整体：

1 荷载工况与组合

1.1 荷载工况

（1）永久荷载：0.6KN/m2(屋面、檩条及吊挂)，拱形桁架上节点荷载：

0.52x17.1x3=28KN

（2）可变荷载：

○1屋面活荷载：0.5KN/m2

○2屋面雪荷载：0.4 KN/m2

因活荷载不与雪荷载同时考虑，且大于雪荷载，故取0.5KN/m2.

○3风荷载：基本风压：0.5KN/m2, 风压高度变化系数0.74,阵风系数1.84, 体型系数-1.3、-0.7，左半跨 -0.89 kN/m2，右半跨 -0.48 kN/m2

（3）地震荷载：设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g,设计地震分组第一组，建筑场地类别为III类。

（4）温度荷载：考虑30度的降温和升温。

1.2 荷载组合

（1）恒+活+升温

（2）1.2恒+1.4活+0.98升温

（3）（1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×X水平地震）×0.75

（4）（1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×Y水平地震）×0.75

（5）1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×Z竖向地震

（6）(1.2恒载+1.2×0.5雪荷载+1.3×x水平地震+0.5×竖向地震)×0.75

2 初始状态分析

屋盖结构为半刚性结构体系，初始状态预张力的分布和大小对结构的整体刚度、稳定、极限承载力至关重要。索结构初始张拉力的确定需满足以下几点要求：

（1）初始张拉力施加完成之后，结构几何与图纸几何尽可能接近

（2）预张力的大小和分布应使结构在荷载作用下能满足规范规定的承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，索不出现松弛。本工程结构分析时假定零状态几何为图纸几何。经多次试算，最后确定在考虑结构自重情况下，下拉索作为主动索施加至235KN的预张力。

初始状态单元轴力分布如图一所示，

图一

拱梁轴力在[-86KN,-121KN]之间，分布非常均匀；拱梁初始弯矩分布图

如图二所示，

图二

几乎没有弯矩。结构自零状态至初始状态的变形如图三所示。

图三

相对于图纸几何，拱梁跨中下挠6mm.这样的偏差是建筑师所能接受的范围。

3 动力特性

3.1 动力特性

结构动力特性的计算应建立在荷载状态的基础上，结构的刚度应取施加初始状态预张力后、在地震作用重力荷载代表值（1.0恒荷载+0.5活荷载）作用下的刚度，计算结果如图四所示：

图四

计算所得结构的第一阶振型为整体纵向振动，周期为1.69S,对应的质量参与系数为83%，

与III类场地的卓越周期相差较远，因此屋盖结构地震反应并不剧烈，同时结构平面外刚度较弱，合理的屋面支撑体系布置和刚度是至关重要的。

4 荷载状态分析

4.1 位移

在荷载组合1：（恒+活+升温）作用下，结构向下位移为42mm(相对于初始状态)。如图五

所示，

图五

按照《钢结构设计规范》GB50017的要求，对于大跨度无吊车和无吊顶屋盖的挠度容许值

可取跨度的1/400，即L/400=113mm,最大位移满足要求。

5 验算结果

最大稳定应力如下表格所示：