索支承实腹门式拱架钢结构设计实例分析

摘要：本研究以索支承门式拱架结构模型为设计验算模型，在几何参数选用与何载工况全面分析基础上，通过对索支承实腹门式拱架结构静力分析和设计计算，最终确定模型设计的几何参数，实现了索支承上弦实腹式H型钢、索截面、撑杆截面、柱截面及结构平面布置的节点及构造设计.

关键词：索支承实腹门式拱架；钢结构；设计

中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1673-260X（2013）06-0058-03

1模型概况

计算模型A：跨度72m，檐口高度为12m，柱距9m，矢高3.6m，垂度1.8m纵向长度99m，为某市物流中心库房.杆件截面及材质：索支承拱架上弦为焊接H型钢H900x250x10x12，撑杆为108x5，材质为Q345B，f=315N/mm2(t≤16mm)，弹性模量E=2.06x105Mpa，泊松比?滋=0.3.预应力钢索采用塑料护套半平行钢丝束￠7系列61￠7，Ac＝2347mm2（截面面积），fck=3680kN（破断荷载），fptk=1570MPa（钢丝公称抗拉强度），弹性模量E＝2.1x105Mpa.钢索的初始预应力应力控制在0.10fptk.在此基础上，只改变结构2，4点的刚结、铰接支承条件，对比计算结果，分析两种情况结构的受力状态和特点.

结构施加预应力为0.1fptk，面外约束间距1.5m，柱脚约束为刚接，索支承结构2，4点约束为刚接，张弦梁结构为铰接，钢柱截面暂取H900X250X10X12，钢柱面外约束间距1.5m，荷载条件仅讨论跨中集中荷载方式，结构上弦、钢柱、撑杆、索截面等参数，根据结构受力计算结果调整.

2荷载设计参数选用及荷载工况

2.1荷载设计参数选用

结构上的荷载有预应力、结构自重、屋面及天窗荷载、设备悬挂荷载、屋面活荷载或雪荷载、风荷载、温度及地震作用（抗震设防烈度为八度）.

（1）恒荷载：檩条（C型钢）0.1kN/m2；屋面板、保温材料，0.2kN/m2；吊挂设备0.1KN/m2.

（2）雪荷载：某市50年一遇基本雪压为0.40kN/m2，由于屋面横向跨度较大，结构设计时需要重视屋面积雪的影响，雪荷载分布系数取值为1.0.

（3）风荷载：某市50年一遇基本风压为0.45kN/m2，建筑场地周围地貌为B类，结构的风振系数取为1.1.

（4）地震作用：本工程建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为八度，设计基本加速度为0.20g；所在场地设计地震分组为第一组，场地类别为三类，采用人工模拟地震波进行了时程分析和验算.

（5）温度作用：工程所在地地处北方，冬夏温差为＋35℃～－15℃，结构需要考虑温度变化对结构的影响.

2.2荷载工况

根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)并参照《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)，刚架在正常使用阶段的荷载最不利组合考虑以下七种计算工况：

（1）1.2恒荷载+1.4（活荷载＋风荷载(向左)＋0.7×正温）

（2）1.2恒荷载+1.4（活荷载＋风荷载(向右)＋0.7×正温）

（3）1.2恒荷载+1.4（活荷载＋风荷载(向左)＋0.7×负温）

（4）1.2恒荷载+1.4（活荷载＋风荷载(向右)＋0.7×负温）

（5）1.2恒荷载+1.4风荷载(风吸)

（6）1.2恒荷载+1.4活荷载

（7）1.2恒荷载+1.4（活荷载+0.7×正温）

参考《钢结构设计规范》及《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》：主刚架梁的挠度限值取跨度的1/400，主刚架柱侧移限值取高度的1/150.依据上文分析，索支承实腹式门式拱架有1：零状态，2：初始态，3：荷载态三个受力阶段，静力分析也按上述三个状态进行.

3静力分析结果

结构分析时，采用通用有限元程序ANSYS10.0分析，拉索为LINK10单元，撑杆为LINK8单元，工字梁柱为BEAM188单元，分析均考虑了几何非线性，及材料非线性，首先静力分析，然后进行弹塑性分析，首先计算结构零状态下的位移，施加预应力的过程中，调整预应力施加的大小，使结构的反向位移与零状态位移一致，结构计算结果（表1，表2）.

（1）施加了预应力对刚架起到了很好的卸载作用.自重作用下刚架横梁跨中挠度为L/993（向下，L为刚架梁跨度），施加预应力并控制横梁跨中挠度达到L/227（向上，反拱），柱顶侧移由7.3mm（向外）变为40.6mm（向内）（表1），此时梁柱节点弯矩由自重作用下的-111kNm变为541kNm，梁跨中弯矩由73.6kN.m变为-345kN.m.

（2）施加预应力后，结构克服自重，产生反向位移，因预应力过大，结构受力为最不利，调整预应力值，使结构满足规范要求，预应力大小对结构受力影响大，恰当的预应力，是结构设计的关键.

（3）在无风荷载作用时，结构不利，风荷载向上较大吸力抵抗部分竖向荷载和活荷载，对结构有利，正温度不利，负温度有利.

（4）拉索的最大拉应力534.5MPa，最大应力比为0.34，拉索的材料强度已经充分利用.

（5）因自重不足，在风吸力作用下，为避免工况（5）控制设计应增加屋面自重，或者修改实腹式钢梁形式.

4节点设计与构造

本文算例节点设计及构造设计主要有：

4.1销轴节点的设计

文中采用销轴节点撑杆节点构造，销轴节点的形式基本相同，即主要由耳板和销轴两部分构成.销轴节点的计算

①耳板净截面抗拉承载力的计算

4.2索节点的设计

索作为索支承结构的一个重要组成部分，其与梁的连接尤为重要，索节点主要分为两类：一类是对索起锚固作用的节点，这类节点主要位于拉索的端部；另一类是只对拉索起限位作用的限位节点，这类节点一般位于拉索的中部，在设计中我们根据索的受力及构造选用成型产品.

4.3支座节点的设计

本文采用平板支座，工字型上弦支与钢柱上，需作如下计算：

底板面积计算：

An=R/fc(4-8)

式中：R－结构的支座反力；fc-钢柱的承压设计值

一般计算所需底板面积很小，主要根据螺栓直径和位置的构造要求决定底板的尺寸.

4.4底板厚度的计算

底板的厚度，由底板在柱顶反力作用下产生的弯矩进行计算.

式中：f－钢材的抗弯强度设计值

M=aqa2四边支承区格

M=?茁qa12三边支承区格和两相邻支承区格

M=0.5qc2一边支承区格

式中其他参数可差相关表格取用.

4.5合理的设置构造保证结构构件稳定，是索支承结构构造设计的主要方面，同时销轴节点、支座节点的设计除满足钢结构规范的要求外，尚应根据设计的具体特点，合理设置加劲肋及钢板厚度等，根据本文算例，梁柱连接节点及撑杆与索连接节点.同时柱间支承、屋面垂直、水平支承的设计也十分重要.

由于屋面重量较轻，时程响应分析结果表明地震作用对结构设计不起控制作用，结构的稳定性及分析计算，本例均不作深入讨论.

通过改变拉索初始预张力、拉索截面积、张弦矢高、拉索垂度等参数分析后，最终确定张弦拱各构件截面，折合用钢量64kg/m2，对于本例平面结构而言，这样的用钢量指标是合理的.

5小结

本文在模型设计盐酸的基础上，通过几何参数选用、何载工况分析及结构静力分析和设计计算，对一72m跨度索支承实腹门式拱架结构进行了分析，得出了索支承实腹门式拱架钢结构受力性能，给出了节点设计公式及构造要求.

需要注意的是：在索支承实腹门式拱架钢结构的设计过程中，不可忽略撑杆和钢索的变形，必须按几何非线性计算；屋盖的向上风吸力和预应力共同作用可能成为起控制作用的最不利组合；大跨度索支承实腹门式拱架钢结构设计分析，温度荷载的影响不能忽略，在荷载工况中可能起控制作用，设计时要充分考虑其对结构的影响.