三门峡新华水工机械有限责任公司 河南三门峡 472000
摘要：张弦桁架中的拉索不仅可以平衡支座处的水平推力，降低上弦截面的弯矩峰值，而且还可以根据设计需要对拉索施加预拉力，进一步改善结构体系的受力性能(如提升刚度、减小结构挠度等)，正因如此，张弦桁架在大跨度建筑中有着广泛的应用。基于此，本文主要对大跨张弦桁架结构分析与设计进行分析探讨。
关键词：大跨张；弦桁架；结构分析；设计
1、工程概况
南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室河口海岸深水航道试验厅项目位于南科院当涂试验基地内，基地位于安徽省马鞍山市当涂县当涂经济开发区，处于当涂开发区纬五路以南，经八路以西，经六路以东，纬七路以北，距205国道边约100m。结构建筑效果如图1所示。本工程整体结构平面尺寸为121.6m×201.2m，室内外高差0.3m。
图1 河口海岸深水航道试验厅建筑效果图
2、结构体系
由于工艺要求，中间不设柱，故本工程采用上部钢屋盖支承于下部型钢混凝土柱的结构形式。其中上部钢屋盖采用张弦桁架结构，张弦桁架跨度119.8m，屋盖由18榀张弦梁组成，边跨间距8.5m，中跨间距12m，相距最远的两榀主桁架轴线距离为197m。其中，主桁架采用倒三角钢桁架与预应力拉索相结合的张弦桁架结构，倒三角桁架截面高度与宽度均为3m，单榀张弦桁架矢高7m，垂度5m，张弦梁总高12m，其跨中悬索最低点距室内±0.000m标高12m，如图2所示。型钢混凝土柱基础顶部标高-1.800m，顶点标高16.300m，柱顶橡胶支座总高0.700m。
图2 单榀张弦桁架立面示意图
3、结构设计与分析
3.1主要结构构件基本尺寸
本工程下部结构为型钢混凝土柱，上部结构为张弦钢桁架，抗风柱截面尺寸为600mm×1200mm，张弦钢桁架的主要杆件截面尺寸如表1所示，下弦拉索采用PES7-163缆索，相应的断破荷载为10476kN。张弦钢桁架及型钢混凝土中的型钢均采用Q345钢材。型钢混凝土柱顶部与钢结构屋盖之间通过板式橡胶支座相连，橡胶垫参照《公路桥梁板式橡胶支座规格系列》(JTT663-2006)选取截面大小为la×lb=600mm×700mm，厚度为t=150mm的橡胶垫，其橡胶层总厚度te=110mm。对于柱顶橡胶支座，一侧（J轴）为固定铰支座，另一侧（A轴）为可沿跨度方向滑动的单向滑动铰支座。
表 1 张弦钢桁架的主要杆件截面尺寸
3.2分析计算程序
本工程采用SAP2000（v14.1.0）和MidasGen（v800）2种软件进行整体结构分析设计与校核。其中SAP2000采用综合阻尼比为0.03，Midas则分别考虑混凝土结构阻尼比0.05，钢结构阻尼比0.02。
3.3主要荷载和作用
本项目主体结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。主要荷载作用取值如下：屋面竖向恒、活荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)确定。基本风压按照100年一遇取值，为0.5kN/m2，地面粗糙度为B类。基本雪压按照100年一遇取值，为0.6kN/m2。
地震作用：结构抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为III类，场地特征周期为0.45s，建筑抗震设防类别为乙类。温度作用根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)结合当地气象部门资料，考虑合拢温度为10℃～20℃，本工程温度作用采用如下取值：最大升温差：+30℃，最大降温差：-30℃。
3.4结构动力特性分析
各软件计算结果能够较好吻合。结构扭转周期比小于0.9，不存在扭转不规则。
3.5结构在静力荷载组合作用下的构件应力比
承载能力极限状态荷载组合中的所有的非地震组合作用下Midas及SAP2000算出的各组杆件的最大等效应力比结果中，包括由永久荷载效应控制的组合、可变荷载控制的组合、恒载效应对结构有利的组合。Midas与SAP2000算得的杆件应力比基本吻合，所有构件均处于弹性状态。
3.6结构在频遇地震荷载组合作用下的构件应力比
在含有频遇地震作用荷载组合作用下Midas及SAP2000算出的各组杆件的最大等效应力比中。Midas与SAP2000算得的杆件应力比基本吻合，所有构件均处于弹性状态。
3.7结构在设防地震荷载组合作用下的构件应力比
含有中震（设防地震）作用荷载组合作用下Midas及SAP2000算出的各组杆件的最大等效应力比的表格中。，Midas与SAP2000算得的杆件应力比基本吻合，所有构件均处于弹性状态。
3.8结构变形验算
结构18榀主桁架在正常使用极限状态荷载组合下的竖向挠度最大值。最大跨中挠度出现在中部10#轴线对应的张弦梁主桁架中部，最大挠度为358.53mm。可见所有主桁架的竖向挠度均小于《钢结构设计规范》(GB50017-2003)规定的挠度限值L/250=480mm。
3.9拉索内力验算
经计算，拉索在所有工况组合下的最大索力和最小索力值分别为4283kN、507kN。可见最大索力小于拉索断破荷载10476kN，约为拉索断破荷载的40%；拉索最小索力大于0，即拉索不会发生松弛。
4、结语
结构在各荷载组合作用下的应力比及变形均满足规范要求，并且满足结构抗震的“三水准、两阶段”设计目标。结构中的次桁架及屋面支撑能够提高结构冗余度，增加拉索失效后的荷载传递路径，有效保障拉索失效情况下的结构抗连续倒塌能力。本工程大跨钢屋盖用钢量相对较小，具有较好的经济性能指标。
参考文献：
[1]田伟，向新岸，赵阳，等．考虑弯矩作用梭形钢格构柱稳定承载力非线性有限元分析[J]．建筑结构学报，2010，31(5):42-48．
[2]田伟，赵阳，向新岸，等．考虑弯矩作用梭形钢格构柱的稳定性能[J]．土木建筑与环境工程，2010，32(6):22-27．
[3]同济大学．上海世博会阳光谷17m格构柱模型试验简报[R]．上海:同济大学，2008．
论文作者:胡付生
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
标签：桁架论文; 荷载论文; 结构论文; 组合论文; 应力论文; 支座论文; 挠度论文; 《基层建设》2018年第6期论文;