综述拱桁架结构优化设计

综述拱桁架结构优化设计

【摘要】拱桁架结构是当前大跨度建筑结构设计中经常应用到的一种设计方式，这种结构方式不但能够很好的满足大跨度的屋盖设计需求，而且可以通过合理的设计来降低工程的施工总成本，因而极受设计人员的青睐。本文结合实际工程案例，对优化拱桁架结构的设计方法进行了讨论分析，指出了在本工程的拱桁架设计中，采用拉杆拱桁架可有效降低工程施工难度，并且能够实现更好的经济效益。

【关键词】钢结构；拱桁架；拉杆型；优化设计

随着社会发展的需求不断增多，建筑结构的设计形式也发生了很大的改革，由传统的较为单一的建筑结构设计形式逐渐转变为多样化、现代化的结构设计。其中钢结构就是这样一种在新的社会需求下发展而来的建筑结构形式，而且就钢结构而言，在材料和技术不断改进的情况下，也有了很多不同结构形式的发展。拱桁架结构作为钢结构设计形式中较为常见的一种结构设计方法，是相对来讲受力最合理、施工最经济的一种结构形式。

1、拱桁架结构的概述

就目前我国的拱桁架结构设计发展现状来讲，拱桁架按照支座的不同可以分为不拉索和杆、拉索以及拉杆等三种不同的结构设计方式。这是因为在拱桁架的结构中，拱所承受的荷载是通过曲杆来抗衡，并将去传递到支座而实现整体受力的。也就是说，拱桁架结构的支座在承受荷载时，不但需要受结构上部对其的竖向压力，而且

还要承受因拱结构传递而来的水平推力。为了平衡这两种应力，处理好支座的结构是关键。

一般来讲，支座化解水平推力的处理方法有两种形式，其一是将推力完全由支撑结构来承受，其二是在拱桁架下部设置一定的下弦单拉杆，通过拉杆来承受推力。第一种方案中，由于支座要承受所有的推力，因此负荷很大，对其构件质量也提出更高的要求，施工所用材料较多，而第二种则是将推力通过杆件分散出去，对于支座的构件要求不是太高，施工用料则较为节省。为此，一般在采用拱桁架结构进行施工时，大都会采用拉杆的方式来进行结构设计。2、工程实例概况

在某地区的一个生态园区的发展建设中，为了满足生产的需要，要在园区内建造一个钢屋盖结构的大空间、大跨度建筑。在对工程进行设计的过程中，设计人员将屋盖结构的主体设计为采用钢管立体桁架的结构，其跨度为60 m，柱距为8.1 m，设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数r0=1.0。根据gb50223—2008《建筑结构设防分类标准》和gb50011—2001《建筑抗震设计规范》的要求，本地区抗震设防烈度为6度（0.05 g），设计地震分组为第一组，地类别为ⅲ类，特征周期tg=0.45 s。根据gb50009—2001《建筑结构荷载规范》的要求，本地区基本风压：w0=0.4 kn/m2，基本雪压：s0=0.25 kn/m2，温度作用：±30℃。屋面恒荷载：上弦0.60 kn/m2（不含自重），屋面活载：0.5 kn/m2。

3、结构设计方案的制定

在本工程的设计中，因为开发商要求所设计的建筑结构应以简单大方为主要风格，确保建筑的大空间需求，整个建筑结构要流畅美观，所基于综合考虑后，设计人员认为这种大跨度、大体量的建筑施工应当采用网架结构为最佳的结构设计方案。在经过对比分析后，最终决定选用拱桁架结构作为最终的建筑结构设计方式。

在本设计方案中，出于对结构要求和经济要求两方面的需要，设计人员在拱桁架结构的支座之间设计了拉杆结构，以此来减少支座所承受的水平推力。

4、结构方案的比较分析

在对结构设计方案进行制定时，设计人员提出了几种不同的设计方法，对所有的设计方案进行了模型设计，对其各自的参数进行了计算分析，并对分析了每个方案下的结构受力特点。具体的方案对比方法如下所示：

4.1 计算模型及其参数

在以往的桁架模型计算分析中我们知道拱桁架结构本身为平面结构体系。因此，本工程选用一榀拱桁架为计算模型。结构的跨度为60 m，矢高为7.5 m，横截面为倒三角形。根据结构设计要求，在选择钢材料时选用了q235b钢，其弹性模量：e=2.06e11n/m2，屈服极限：σs=235e6n/m2，张弦拱桁架支座为一端刚接，一端铰支，文章采用ansys程序进行分析。拱桁架的上弦、下弦、腹杆和撑杆采用link8模拟，撑杆与下弦、拉索之间视为铰接，拉索方案

的拉索采用link10模拟，而拉杆方案的拉杆采用beam188模拟。

4.2 单榀拱桁架的受力分析

对于单榀拱桁架结构的受力特点进行分析时，我们分别对其各自的静力进行了分析，并最终得出选用拉杆作为支座之间的连接方式是最具有经济价值和实用价值的，且这种设计方案的抗震性能更好。具体的方案设计方法和受力分析分别如下所示：

静力分析是结构的基本分析，在该分析中，着重考虑结构的工作状态，即考虑了结构的自重、恒载、活载、风载，将荷载以集中力的方式作用在上弦各个节点上。

4.2.1ⅰ方案拱桁架支座为两端铰支，其最大位移出现在跨中，值为54.2 mm，下弦杆的内力最大，值为101 mpa。

4.2.2ⅱ方案中，考虑了索的预应力，通过调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预应力，对结构初始形态预起拱，按规定，几乎所有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载下产生的弹性位

移进行控制，而通过结构的初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的变形性能安全设计目标。但此时，结构的绝对位移值超过250 mm，如此大变形对屋面围护次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安全性能将产生严重不利影响。

4.2.3ⅲ方案中，将拉索换为拉杆，其最大位移出现在跨中，值为87.8 mm，下弦杆的内力最大，值为91.8 mpa。

4.2.4方案分析

在设计人员通过一定的方法对上述三种不同的方案进行受力分

析对比后，得出在这3个结构方案的最大位移均出现在拱桁架的跨中，其最大位移也符合规范对挠度的控制标准。从3个方案的经济技术指标的角度来讲：ⅰ方案的用钢量和支座反力最大，而这恰恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小的要求相违背；ⅱ方案在索施加预应力的作用下，用钢量最省，如对索施加预应力来达到控制结构挠度的要求，则所施加的预应力较大，其索力约为670 kn，上弦杆的断面也相应的增大，而且，施工难度比较大；ⅲ方案的用钢量和支座反力居于ⅰ方案和ⅱ方案之间，且施工也不难，挠度也满足规范的要求。由于结构的自振特性是结构动力的基本性质，也是动力分析的基础。对结构进行动力特性分析可见，拉杆方案的基频远大于拉索方案的基频，则说明ⅲ方案的面内刚度大于ⅱ方案的面内刚度，抗震性能良好。

5、结语

通过本文的研究探讨可以看出，在本工程中，为了同时满足结构设计的技术要求、结构的外观美学要求以及工程项目的经济性要求，设计人员在进行对比分析后最终确定了采用拱桁架结构进行施工，并且以拉杆的方案对支座间进行了设计，经过实践表明，这种优化后的设计方案取得了良好的工程效果。笔者希望通过论述本工程的实践经验，为其他类似的建筑工程施工设计提供一些参考。