弦支穹顶结构设计分析2

弦支穹顶结构设计分析来源网络作者：彭添刘振华刘祥字发布于2012/12/2216:53:29评论(0)有16人阅读1工程概况

三亚市体育中心(三亚市中等职业技术学校二期场馆)位于海南省三亚市，西临师部农场路，南接金鸡岭路，东靠东岸北路，北侧为技术学院一期工程用地，由体育馆、体育场、游泳馆三部分组成，是三亚市及职业学校新校区的标志性建筑群。体育馆总建筑面积12764．8m2，总座位2934席；屋盖覆盖面积6550m2，采用预应力弦支穹顶钢结构体系。游泳馆总建筑面积4621．3m2，337座，屋盖覆盖面积3700m2，采用焊接球空间网架结构。体育馆主馆钢结构屋盖形状为圆形，直径为75．36m，屋盖矢高为8．288m；整个屋盖覆盖面积为3700m2。屋盖采用弦支穹顶结构体系。该结构体系由上部单层网壳和下部弦支索杆体系构成，上部单层网壳网格布置形式为Kiewitt型；下部弦支索杆体系以肋环型布置，设置3道环索，径向为钢拉杆；其中撑杆采用圆钢管，上下端铰接。该结构具有用钢量小、结构轻盈、钢结构构件截面类型少的特点。计算简图如图1所示。本工程索承单层网壳屋盖，除具有一般索承单层网壳的结构特点外，还具有以下特点。

1)网壳矢高为8．288m，矢跨比为8．288／75．36=0．11。网壳矢跨比不大，屋盖刚度一般，在施加预应力后，其网壳面外刚度有较大提高。

2)屋盖结构与下部混凝土结构采用三向铰支座。

3)在使用阶段，结构主要受力状况为：环向杆和拉索受拉，径向杆和撑杆受压。而在预应力张拉阶段，除索受拉外，网壳各杆件和撑杆均受压。

4)在撑杆下节点处，撑杆、环索和径向钢棒的内力相互平衡，其中环索内力最大，撑杆内力最小。改动其中任何一个构件的内力，其他构件的内力也相应改变。5)索承单层网壳屋盖为圆球形，且各方向上的结构布置较为均匀，因此结构受力比较均匀，内力变化幅度比较小。

6)对结构的构件布置情况及传力特点的分析得知，中心处由环向索、径向钢棒、竖向撑杆及钢管网壳组成的屋盖可以作为一个自承重的结构受力单元；其内力通过外层钢管网壳传递至下一圈由环向索、径向钢棒、竖向撑杆及钢管网壳组成的结构单元，此单元不能自承重，而是通过与上一层结构单元联合组成能自承重的结构受力单元。整个屋盖通过此种受力形式，将内力由上至下、一圈一圈逐渐传递至最底层的支座处。

2结构选型

2．1弦支穹顶结构拉索与径向钢棒

张弦梁拉索有3种规格，从外到内分别为Φ7×163、Φ7×73和Φ7×37高强度低松弛镀锌钢丝束，拉索有效截面面积分别为6276，2810，1425mm2，拉索抗拉强度为1670MPa，拉索锚具采用40Cr钢；径向钢棒为高强低合金钢，外圈Φ75，内部两圈Φ45，屈服强度不低于550MPa。为了使受力更合理，将弦支穹顶的拉索锚固端节点设置在上弦截面的形心处，使拉索中的拉力由相交于一点的撑杆直接传递到弦杆上，同时也简化了拉索锚固端节点的构造。为了方便施工，张弦梁与撑杆间的连接采用了销轴式连接，索的布置如图2所示。

2．2弦支穹顶结构撑杆

弦支穹顶结构撑杆布置如图3所示，材质为Q345一B。

3荷载设计参数

结构作用荷载有预应力、结构自重、屋面及马道悬挂恒载、屋面及马道活荷载或雪荷载、风荷载、温度及地震作用。

3．1恒荷栽

1)屋面：1．0kN／m2(不含结构自重)。

2)马道吊挂荷载：1．0kN／m2。

3．2活荷载

1)屋面：0．5kN／m2。

2)马道：1．0kN／m2。

3．3风荷载

三亚市100年一遇基本风压为1．05kN／m2，建筑场地周围为B类地貌，结构的风振系数取为1．5。由于屋盖结构体型相对复杂，要获取准确的结构风压分布需要进行风洞试验。

3．4地震作用

三亚市抗震设防烈度为6度(0．05g)，地震分组为第一组，场地类别为I类。

3．5温度作用

使用阶段温差取±25℃。

4弦支穹顶结构初始态计算

由于结构形式的特点，初始预张力对弦支穹顶的内力和初始变形影响较大，如何合理确定初始预张力是索结构设计中的关键环节。本结构在分析时，综合考虑以下因素：

1)在各可能工况下，索应保持拉力，并有一定安全储备，且不超过规定的应力比。

2)过小的预张力可能使索在某些荷载组合下退出工作，处于松弛状态。

3)过大的预张力使索张拉施工不便。

4)预张力不应使上弦构件产生过大的反拱值。

5)过大的预张力会增加结构施工的难度。

6)增加预应力可以增加下弦拉索的平面外刚度，但会增加上弦构件的轴向应力，对结构不利。

在设计时，经过大量方案比较后，综合权衡多种因素，最终确定初始预张力控制值如图4所示，按照此控制值找形后，结构变形如图5所示，初始态下的计算结果如表1所示。

5弦支穹顶结构荷载态计算

初始态分析完成后，按照荷载组合进行结构的荷载态分析。结构荷载态分析时，构件中除拉索为索单元外，其他构件均为梁和杆单元。最不利荷载组合下结构变形如图6所示，荷载态下的计算结果如表2所示。结构荷载态分析结果如下：

1)所有粱杆强度、刚度及稳定性均满足GB50017-2003《钢结构设计规范》要求。

2)39(1)组合下外环索的索力是所有组合中最大的；39(2)组合下中环索的索力是所有组合中最大的；29(1)组合下内环索索力是所有组合中最大的。

3)初始态下，张弦梁跨中最大初始反拱值为94．4mm，挠跨比f／L为1／798；荷载态下，最大挠度为96．1mm，最大挠跨比f／L为1／784，满足小于1／250的要求。

4)荷载态下，拉索Φ7×163中的最大拉应力为612MPa，最大应力比为0．37；拉索Φ7×73中的最大拉应力为449MPa，最大应力比为0．27；Φ7×37中的最大拉应力为266MPa，最大应力比为0．16；其他构件应力水平也较合理。由此可以看出，拉索的材料强度已充分利用。

6弦支穹顶结构地震作用分析

按照地震设计参数，采用振型分解反应谱法进行整体结构地震特性分析，得到结构前6阶周期分别为：0．25620，0．25505，0．23435，0．21091，0．21042，0．20469s，其前6阶振型如图7所示。从整体结构的自振周期看，前6阶周期较接近，这也反映了大跨空间结构自振频率比较密集的基本规律；从振型图中可以看到，结构整体刚度比较均匀。

7结论

1)由于索杆预应力体系能够明显地提高单层网壳的强度和刚度，所以，弦支穹顶结构具有良好的受力性能。同时杆件的布置形式灵活，可以较好地满足建筑设计美观的要求。由于预应力的存在，弦支穹顶结构为自平衡体系，能有效地减轻自身结构的重量和下部结构的支座反力，具有良好的经济性。

2)弦支穹顶的施工张拉全过程分析对实际工程施工是必要的：一方面可以预先验证施工方案的可行性；另一方面可以为实际施工提供控制参数，以确保实际施工的顺利进行。3)从对结构的初始态分析中可以看出，弦支穹顶结构中预应力的存在能够有效地改善结构的内力分布，降低杆件内力幅值。选用合理的预应力值可以很好地改善结构的静力性能，但预应力并不是越大越好，过大的预应力会给结构带来不利的影响。

4)从整体结构的自振周期和振型来看，整体结构周期较短，这充分说明了索预张力对结构整体刚度有了明显改善，提高了整体刚度。

参考文献

[1]黄明鑫．大型张弦梁结构的设计与施工[M]．济南：山东科学技术出版社,2005．

[2]崔晓强，郭彦林．Kiewitt型弦支穹顶结构的弹性极限承载力研究[J]．建筑结构学报，2003，2(1)：74-79．

[3]张明山，董石麟，张志宏．弦支穹顶初始预应力分布的确定及稳定性分析[J]．空间结构．200