广州市设计院 广州 510620
摘要：对大跨度拱形结构方案进行计算对比，采用空间桁架结构，节省用钢量。通过整体稳定性分析，在满足使用功能的前提下，选择合理的面外支撑。针对本工程的拱脚反力特点，选择合理的支座方式，提高了实际受力与计算模型假设的一致性，取得了良好的效果。
关键词：钢结构；大跨度拱；稳定
Stability and support design of large span arch steel
Zhou kai，Lan cheng，Xiong wei，Han jianqiang，Wang weiming，
（Guangzhou Design Institute，Guangzhou510620）
Abstract：The calculation and comparison of the large span arch structure is carried out，and the space truss structure is adopted to save steel.Through the overall stability analysis，in the premise of meeting the use of functions，the selection of reasonable external support.In view of the characteristics of the anti stress of the arch foot in this project，the reasonable support method is chosen，and the consistency of the actual force and the calculation model is improved.
Keywords：Steel structure；Large span arch；Stable
1工程概况
国际马戏新馆位于珠海横琴长隆海洋王国东侧。拟作为2015年举办国际马戏节的主场馆之一，项目效果图详1.1-1。
本工程结构采用钢拱桁架加索膜结构形式，主要由尾部6榀钢桁架拱及头部6根钢立柱组成。头部六根立柱通过拉索拉结在钢拱桁架上。桁架最高点为30m，钢柱最高点为38.5m，桁架最大跨度75.06m。
图1.1-1 整体效果图
2结构整体选型研究
根据本工程的特点，拱圈可考虑的结构形式主要有单根圆钢管拱结构和空间桁架拱形式。针对这两种结构形式分别进行了计算。计算软件采用Midas gen8.36。根据计算结果并综合施工、安全、经济等各方面进行综合比较与选择。
2.1 两种结构形式计算模型
2.1.1单根圆钢管拱结构计算模型
单根圆钢管拱的结构形式为主拱圈为一根圆钢管，钢管底部铰接，建筑造型及表演通道都设置在这根主钢管上，计算模型如图2.1-1。
图2.1-1 单根圆钢管拱计算模型
2.1.2空间桁架拱结构计算模型
空间桁架拱的结构形式为主拱圈为矩形的空间桁架，为满足建筑要求，在拱底部渐变为三角形空间桁架，拱脚采用单边双拱脚，主拱圈可兼做表演通道，计算模型如图2.1-2。
2.2 两种结构形式的初步计算以及经济性分析
下面将就单根圆钢管拱和空间桁架拱两种不同结构形式进行初步计算和分析，比较两种结构方案的可行性。本工程尾部钢桁架拱部分与头部膜结构部分分开计算，将头部膜结构部分的计算结果根据不同工况加载在尾部钢桁架拱上。以下两种方案的计算均在相同的计算假定和荷载条件情况下进行分析。
2.2.1 单根圆钢管拱结构的计算结果及特点
根据计算结果，风荷载作用下的桁架最大位移为56mm，，挠跨比为1/446。软件统计的总用钢量为410吨。采用单根圆钢管拱结构的特点有：
1、主受力拱采用单一圆钢管，受力简单、明确。
2、主受力拱采用单一圆钢管，拱圈施工难度小，安装方便。
3、由于演艺需要，在沿拱轴方向需要加设杆件做马道。
4、主拱圈截面大，拱脚处不美观。
5、拱脚采用铰接，在膜结构张拉施工过程中需要提供可靠的侧向支撑。
6、用钢量相对大。
图2.1-2空间桁架拱计算模型
2.2.2 空间桁架拱结构的计算结果及特点
根据计算结果，风荷载作用下的桁架最大位移为54mm，挠跨比为1/462。软件统计的总用钢量为340吨。采用空间桁架拱结构的特点有：
1、由于桁架拱采用的柱脚为单边双柱脚方案，桁架拱自身有一定刚度，对施工时的侧向稳定支2、撑要求降低，利于施工时的安全性。
3、柱脚构件较小，柱脚节点也小，有利于施工及美观。
4、桁架拱可兼做马道使用，采用圆管拱需沿拱方向另吊设马道。
5、由于采用可拆卸方案，杆件较多，节点用钢量会增加，且施工难度会大一些。
6、用钢量相对小。
2.3 结构选型
通过前面的计算结构及综合分析，两种结构的安全指标都满足要求，采用空间桁架拱方案的用钢量比采用单根圆钢管拱方案要少20%。综合考虑施工速度、建筑及表演施工功能、特别是经济性等因素，本工程主拱结构体采用空间桁架拱方案。
3整体稳定性分析
3.1 面外支撑结构的确定
大跨度拱结构是本工程的一个主要特点。拱圈是以受压为主的压弯构件，因此稳定性显得尤为重要。拱形钢结构的设计，不仅要满足平面内稳定承载力的要求，也应考虑面外支撑的设置。对于本工程而言，两榀桁架之间的距离有15m，屋面形式采用张拉膜结构，建筑有造型要求，很难通过设置钢支撑等方式满足面外稳定的要求，综合建筑，表演要求等各方面因素，有两种方案供选择：
1、不设置面外支撑，主桁架拱每隔一定距设置拉索，拉索一段固定在主桁架拱上，一端固定在地面上。
2、分别在拱顶、1/4、3/4拱圈位置设置三条纵向桁架，三条纵向桁架尾部坐落在尾部混凝土结构上，其中拱顶的纵向桁架可兼做马道使用。
分别就以上两种方案进行初步对比选择认为，方案一能很好的满足建筑对于外形上的要求，但是也有明显的缺点：
1）、由于桁架与拉索一起计算，属于多次张拉的超静定结构，计算上要求高，受力复杂。
2）、在施工中，由于拉索要多次张拉，对施工工艺要求较高。
方案二中，纵向桁架在主桁架下弦也能很好的满足建筑对于外形上的要求，拱顶桁架可兼做马道使用，能很好的满足演艺、检修等要求，而且施工简单，施工过程中可以形成面外支撑，故综合各方面的考虑，我们初步决定采用方案二。
3.2 整体稳定性分析结果
根据初步选定的结构方案二，采用大型有限元分析软件ansys对不同工况组合下结构整体稳定进行计算分析，并选取最不利组合下考虑结构初始缺陷的非线性稳定分析。
3.2.1 线性稳定分析结果
选取不同的荷载工况，主要是恒载、活荷载、风荷载的不同组合，分别进行稳定性计算，计算结果如表3.2-1。
表3.2-1各种组合工况临界荷载倍数
根据以上计算结果看出，对稳定最不利的荷载为恒+活+风（y），最不利荷载组合下整体稳定系数接近5。
3.2.2 非线性稳定分析结果
根据线性稳定计算结果，我们选取了恒+活+风（y）组合作为非线性计算的荷载组合。参考《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010，采用结构最低阶屈曲模态，缺陷值按照跨度的1/300来取值，材料为线弹性。计算结果如图3.2-1
根据荷载位移曲线图可以看出，稳定系数在4.5左右，荷载位移曲线会出现较大分离，稳定系数在4.8左右会出现较大背离。故考虑初始缺陷的非线性稳定系数可取4.5。参考《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010中对于单层球面网壳考虑初始缺陷的稳定系数为4.2。本工程的整体稳定符合要求。
4拱脚支座的选择
拱脚的选择主要是根据工程的反力特点以及计算模型的假定来选择合适的拱脚节点。本工程的拱脚采用两个方向铰接的分叉拱脚。本工程的拱脚除了有拱轴面内的压力和剪力外，还有面外的剪力和较大拔力。目前对于铰接拱脚的选择用的最多的是销轴节点以及球形铰支座节点。
图3.2-1 荷载位移曲线
4.1 销轴节点
销轴节点传力明确、构造简单，可近似作为理想的铰接节点，能够有效地消除柱底弯矩，同时在建筑中又比较美观，因此在当代的钢结构体系的公共建筑中经常采用。对于本工程来说，采用销轴支座的优点有：
1、销轴节点构造简单，实际受力与计算模型中的铰接非常接近。
2、销轴节点能够承担较大的压力以及拔力。
3、销轴节点造价便宜，有良好的经济效益。
然而对本工程反力特点而言，拱脚会产生较大的面外剪力，以及附加弯矩。销轴节点能很好抵抗面内的剪力及释放面内的弯矩，但是很难抵抗面外的剪力，以及由面外剪力产生的附加弯矩，故本工程拱脚不宜采用销轴节点。
4.2 球形铰支座节点
我国目前建筑工程中的球铰支座来源于桥梁支座，并大量应用在钢结构等建筑工程中。目前使用最广泛的为固定球铰支座，固定球铰支座指不允许有任何方向上的位移，但允许有任何方向的转角。就本工程而言，使用球形铰支座的优点在于：
1、球铰支座能抵抗两个方向的剪力，以及释放两个方向的弯矩，与本工程计算模型中支座的假设吻合，实际受力接近于模型的假设，增强了可靠性。
2、球铰支座能承受竖向的压力以及拉力。
3、可满足任意方向的转动。
4、球铰支座不使用橡胶，不存在橡胶老化对支座的影响，使得支座有较长的寿命。
但是，对于本工程而言，在使用固定球铰支座上也有要注意的地方：
1、由于有较大转动，故设计转角应比一般球铰支座大
2、由于拉索的作用，本工程的拔力较大，但大拔力的球铰支座在工程中的应用并不常见，需要厂家精心设计。
3、造价上要比销轴支座要高。
综合两种支座各自的优缺点，以及结合本工程的实际受力情况，最终我们选择了固定球铰支座。从实际使用的情况来看，取得了良好的效果。详图4.2-1。
图4.2-1 球铰支座
5小结
综上所述，本文以实际工程为背景，对大跨度钢拱结构的结构方案选型、稳定性分析、支座的选取三个方面进行分析研究，为今后类似工程提供参考，并得出了以下几点成果及建议：
1、通过稳定性分析，确定了合理的侧向支撑布置方式，即避免了由于侧向支撑不够导致的主拱侧向失稳的安全隐患，又不因为侧向支撑设置过多导致影响使用功能及增加钢材用量。
2、通过对比圆管拱与空间桁架拱方案，采用空间桁架拱能节约20%左右用钢量，取得较好的经济效益。
3、针对钢结构拱柱脚的反力特征，采用了固定球铰支座布置方式，提高了计算模型与实际受力的一致性，提高了结构安全度，避免了传统的销轴连接方式可能会因水平力导致的支座破坏。
4、对于大跨度拱结构而言，由于其承受较大的压力，实际工程中又可能受到建筑及使用上的限制，其稳定支撑的选择尤为重要，可通过对其稳定性的有限元分析结果，选择合理的支撑布置。
5、支座是将上部结构荷载传给基础的一个重要构件，对于大跨度结构而言，其支座要根据其反力特点选择一个施工简单、受力明确并且与计算模型假设相符合的支座形式，以确保结构的安全。
论文作者:周凯,兰成,熊伟,韩建强,高琳,王伟明
论文发表刊物:《基层建设》2015年32期
论文发表时间:2016/10/28
标签：桁架论文; 支座论文; 结构论文; 荷载论文; 工程论文; 拱圈论文; 圆钢论文; 《基层建设》2015年32期论文;