宮彩鳳
黑龍江集盛建筑設計有限公司
關于建筑結構設計中拱桁架結構優(yōu)化設計
宮彩鳳
黑龍江集盛建筑設計有限公司
拱桁架結構在現(xiàn)代建筑設計中很是常見,尤其是在大跨度、大空間建筑中。基于該結構形式的特點,本文對該結構在建筑結構設計中的優(yōu)化方法作詳細探析,并得出相關結論,供同行參考借鑒。
建筑結構設計;拱桁架結構;設計優(yōu)化;方法
從性質上而言,拱桁架屬于鋼結構形式的一種,在現(xiàn)代建筑結構設計中得到了廣泛的應用。拱桁架結構的最大特點是能滿足大跨度屋蓋結構設計需求,同時降低屋蓋造價成本,因此受到了建筑結構設計行業(yè)的高度重視。結合拱桁架結構應用現(xiàn)狀,筆者現(xiàn)對拱桁架結構設計優(yōu)化方案作詳細論述。
1、拱桁架的特點
隨著建筑事業(yè)的不斷發(fā)展,建筑結構設計水平也變得越來越高,多種不同形式結構層出不窮,為建筑造型百變,建筑功能完善做出了巨大貢獻。拱桁架結構作為一種常見鋼結構,現(xiàn)已在大跨度建筑屋蓋體系中得到廣泛應用。
就我國當前的拱桁架結構發(fā)展狀況來看,建筑結構設計中常見的拱桁架形式主要分為三種,即不拉索和桿結構、拉索結構以及拉桿結構。這三種拱桁架結構按照支座類型劃分,原理在于,結構中拱所承受的荷載由曲桿承受,同時曲桿在承受荷載的同時將部分荷載傳遞到結構支座上,由支座來承受結構的整體受力。即是說,拱桁架結構支座負責承受結構所受的所有外力,包括結構豎向壓力以及拱結構的水平推力。為此,在拱桁架結構設計中,支座處理是關鍵,設計時務必要做好支座受力設計方案的優(yōu)化。
2、拱桁架支座設計
拱桁架支座抗衡、化解拱結構傳遞過來的水平推力方法主要有兩種,一是將結構支撐,二是拉桿承受。前者是指利用支座結構來承受水平推力,后者則要求在拱桁架下方增設一個下弦單拉桿,利用拉桿來化解推力。
如設計中采用第一種方法,利用結構支座來支撐水平推力,會大大增加結構負荷,設計時為了防止結構坍塌,必須對結構構件質量提出高要求,這便很容易造成材料浪費,增加工程造價成本;如果采用第二種方法,在拱桁架下方設置下弦單拉桿,利用單拉桿化解水平推力,可大大減少支座受力,因此無需過分提高結構構件質量要求,所消耗的施工材料也比較少,工程造價自然會降低。所以一般情況下,拱桁架結構設計多采用拉桿增設方式,我們在探討拱桁架結果設計優(yōu)化方案時,可將拉桿設計作為突破口,合理優(yōu)化拱桁架拉桿設計方案。
1、工程概況
在某地區(qū)的一個生態(tài)園區(qū)的發(fā)展建設中,為了滿足生產(chǎn)的需要,要在園區(qū)內建造一個鋼屋蓋結構的大空間、大跨度建筑。在對工程進行設計的過程中,設計人員將屋蓋結構的主體設計為采用鋼管立體桁架的結構,其跨度為60m,柱距為8.1m,設計基準期為50年,設計使用年限為50年,建筑結構的安全等級為二級,結構重要性系數(shù)r0=1.0。
2、工程結構設計方案
本工程施工前期,應開發(fā)商要求,設計單位將工程的建筑結構風格定義在簡單、大方之上,設計時盡量滿足大空間建筑需求,既保證了建筑結構的實用性,又保證了建筑結構的美觀性。實際設計時,設計人員采用大跨度空間網(wǎng)架結構作建筑結構設計方式,同時將網(wǎng)架結構形式確定為拱桁架,最終確定出了大跨度空間拱桁架結構設計方案。
為了滿足建筑結構受力需求,設計人員在該套設計方案中融入了拱桁架拉桿結構,目的在于利用拉桿結構來分散拱桁架支座受力,減輕支座受到的拱結構水平推力,達到節(jié)省施工材料,降低工程造價成本要求。
3、工程結構設計方案的比較
在確定拱桁架結構設計方案之前,設計人員探討出了幾種各具優(yōu)缺點的結構設計方法,并利用模型設計方式對幾種設計方案的設計參數(shù)作了仔細比較,結合設計參數(shù)分析了幾種結構各自的受力特點,詳細方法如下:
3.1 模型設計及參數(shù)計算
對拱桁架結構模型進行計算分析,得知拱桁架結構屬性為平面結構,因此本工程在分析拱桁架模型設計時,只選用一榀拱桁架作設計模型。該結構設計模型中,拱桁架結構的總跨度為60米,結構高7.5米,橫截面形狀為倒三角形。該結構在設計施工時選用了型號為Q235B,彈性模量E=2.06E11N/m2,屈服極限σs=235E6N/m2的鋼材料。拱桁架支座處理采用剛接和鉸支方式。分析計算拱桁架結構模型時,設計者引進了ANSYS程序,計算得出相應的設計參數(shù)。
3.2 單榀拱桁架的受力分析
對于單榀拱桁架結構的受力特點進行分析時,設計人員采用了結構靜力分析法對各自結構受力情況作了探討,并最終得出選用拉桿作為支座之間的連接方式是最具有經(jīng)濟價值和實用價值的,且比起其他方案,這種設計方式所具有的抗震性、經(jīng)濟性也更好,更能優(yōu)化拱桁架結構受力。具體的方案設計方法和受力分析分別如下所示:
(1)Ⅰ方案拱桁架支座為兩端鉸支,其最大位移出現(xiàn)在跨中,值為54.2mm,下弦桿的內力最大,值為101MPa。
(2)Ⅱ方案中,考慮了索的預應力,通過調整張弦桁架中索的初始應變的方式施加預應力,對結構初始形態(tài)預起拱,按規(guī)定,幾乎所有結構剛度不足工程均不需要對結構在荷載下產(chǎn)生的彈性位移進行控制,而通過結構的初始幾何形態(tài)的預起拱實現(xiàn)結構正常使用的變形性能安全設計目標。但此時,結構的絕對位移值超過250mm,如此大變形對屋面圍護次結構、屋面防水連接構造的正常使用的安全性能將產(chǎn)生嚴重不利影響。
(3)Ⅲ方案中,將拉索換為拉桿,其最大位移出現(xiàn)在跨中,值為87.8mm,下弦桿的內力最大,值為91.8MPa。
3.3 方案分析
分析比較上述三種不同設計方案的優(yōu)缺點之后,得出以下幾點相關結論:Ⅰ方案的用鋼量和支座反力最大,而這恰恰與甲方要求用鋼量低、對下部結構負荷小的要求相違背;Ⅱ方案在索施加預應力的作用下,用鋼量最省,如對索施加預應力來達到控制結構撓度的要求,則所施加的預應力較大,其索力約為670kN,上弦桿的斷面也相應的增大,而且,施工難度比較大;Ⅲ方案的用鋼量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之間,且施工也不難,撓度也滿足規(guī)范的要求。由于結構的自振特性是結構動力的基本性質,也是動力分析的基礎。對結構進行動力特性分析可見,拉桿方案的基頻遠大于拉索方案的基頻,則說明Ⅲ方案的面內剛度大于Ⅱ方案的面內剛度,抗震性能良好。
綜上所述,拱桁架結構目前在建筑結構設計中的應用已經(jīng)十分常見,尤其是在大跨度空間結構中,其以自身所具備的良好經(jīng)濟性、實用性,受到了建筑設計人士的廣泛喜愛。鑒于拱桁架設計重點在支座處理,設計時如果在拱桁架結構下方增設拉桿,利用拉桿來分散支座受力,緩解支座荷載,可在更大程度上提高拱桁架荷載能力,優(yōu)化結構,降低工程造價成本。由此可見,在拱桁架結構設計中,最佳的設計優(yōu)化方式是支座處理,只要處理好了支座受力,最終所獲得的工程效果勢必會更好。
[1]唐炯,秦冬祺.大跨度單榀拱桁架的非線性穩(wěn)定分析[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2008(34)
[2]李海旺,任瀾濤,杜成云.某煤棚拱桁架結構動力特性及地震響應分析[J].科學之友,2010(03)
[3]彭建勛,賈宏偉.鋼管拱桁架的靜力穩(wěn)定性研究[J].信陽師范學院學報(自然科學版),2008(03)