一种新型双拱支承体系在大跨度空间结构中的应用

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第１ ９ 卷第 ３ 期 ２ ０ １ ３年９月
空 间 结 构
Ｓ Ｐ Ａ Ｔ Ｉ Ａ Ｌ Ｓ Ｔ ＲＵ Ｃ ＴＵＲ Ｅ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． １ ９Ｎ ｏ ． ３ ２ ０ １ ３ Ｓ ｅ ｐ．
一种新型双拱支承体系在大跨度空间结构中的应用
孙文波 ，王剑文 ，江俊毅
（ ） 华南理工大学建筑设计研究院 ， 广东 广州 ５ １ ０ ６ ４ １ 摘 要 ：一种新型的双拱支承体系被运用于某大型体育场的设 计 中 ， 这种双拱体系由一个上单管拱和下空间桁架 拱组成 ． 其中上拱为大直径钢管拱 ， 下空间拱为三角 形 桁 架 拱 ， 二 者 分 别 承 担 不 同 的 结 构 作 用． 本文针对这种新型 的双拱支承体系进行了详细的静力和动力分析 ， 并在分析模型中考虑了下部钢筋混 凝 土 结 构 的 支 承 刚 度 对 整 体 结 分析结果表明 ， 这种新型结构体系的整体受力性能良好 ， 可以满足结构强度 、 变形和稳定性的要求 ． 构的影响 ． 关键词 ：双拱支承结构体系 ； 动力特性 ； 拱的稳定 （ ） 中图分类号 ： ＴＵ ３ ９ ３． ３ 文献标志码 ：Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ６ ６ ５ ７ ８ ２ ０ １ ３ ０ ３ ０ ０ ６ ２ ０ ６ － － －
［ １］
三角形拱形桁架组 成 不 仅 承 受 一 定 的 竖 向 荷 载 ， 同 这种 时还对上单管拱的 平 面 内 稳 定 提 供 抗 弯 刚 度 ． 结构体系具有传力明确 、 传力路径直接等优点 ．
随着拱跨度的不断增加 ， 拱脚处也 ．
将产生越来越大的水平推力 ． 钢材具有质量轻 、 承压强度较高等优点 ， 采用质 量较轻的钢拱结构 ， 能有效地减小拱结构在自重作 用下的应力水平 ， 也可以大大减小拱脚的水平推力 ． 双拱支承钢结构体 系 结 合 建 筑 造 型 ， 采用上下两个 拱并共同承担竖向 荷 载 ， 其中上单管拱受到限位钢 索的限制以确保其 平 面 外 的 稳 定 ， 下空间拱由一个
收稿日期 ： ２ ０ １ ３ ０ １ １ ８． － －
１ 双拱支承结构体系
某大型体育场钢结构屋盖的拱脚跨度为 ２ ８ ２ ｍ， 平面图和立面图如 图 １ 所 示 ． 屋盖钢结构现场的卸 载完成后的前视图和后视图 ， 如图 ２ 所示 ． 钢结构屋 面形状是通过圆柱 面 相 切 而 得 的 ． 其屋盖钢结构的
图 １ 双拱支承体系体育场平面图和立面图 Ｆ ｉ ． １ Ｐ ｌ ａ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｕ ｏ ｒ ｔ ｓ ｔ ａ ｄ ｉ ｕ ｍ － － ｇ ｐ ｐ
图 ２ 屋盖钢结构卸载后的前视图和后视图 Ｆ ｉ ． ２ Ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｂ ａ ｃ ｋ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ｓ ｔ ｅ ｅ ｌ ｒ ｏ ｏ ｆ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｕ ｎ ｌ ｏ ａ ｄ ｉ ｎ ｇ ｇ
第３期
孙文波 ， 等 ：一种新 型 双拱支承 体 系在大跨 度空间结构 中 的应 用
６ ３
， 括拱脚和斜钢管 混 凝 土 支 承 柱 部 分 ） 约为１ 屋 ８ １ ８ ｔ 盖钢 结 构 每 平 米 用 钢 量 约 为 １ 在下空间拱设 ９ ０ ｋ ． ｇ 置了抗拉摇摆柱 ， 下空间拱的跨度为１ 由于本 ９ ２ ｍ． 案例的双拱体系跨 度 较 大 ， 在双拱支承体系的拱脚 采用无粘结预应力拉梁来平衡拱脚处的水平推力 ． 屋面 钢 结 构 体 系 由 １ １道变截面 Ｈ 型钢梁 （ 和沿着屋面曲面布 Ｈ ６ ０ ０×１ ０ ０ ０～２ ０ ０ ０×１ ６×３ ４） 组 置的环 向 Ｈ 型 结 构 檩 条 （ Ｈ ３ ０ ０×５ ０ ０×８×１ ６） 成． Ｈ 型结构檩条的跨度为１ ６ ｍ～２ ５ ｍ 左 右． Ｈ型 ， 未包括悬挑部分 ） 主 主钢梁的最大跨度接近 ５ ０ ｍ（
为了 协 调 上 拱 和 下 拱 之 间 的 变 形 ， 同时为了提 高 上 拱 的 面 内 稳 定 性 能， 在两拱之间设置吊杆 （ ） 此 外， 为 了 提 高 上 拱的 面 外 稳定性 能， ３ ５ １×１ ２ ． ， 在上 单 钢 管 两 侧 采 用 稳 定 拉 索 （ 并施加 ３ ０） 如图 ５ 所示 ． ２ ５ ０ ｋ Ｎ～４ ０ ０ ｋ Ｎ左右的预张力 ， 屋盖 钢 结 构 除 考 虑 结 构 自 重 外 ， 还考虑了附加 ， 恒载 ０． 活载 ０． 考虑当地风荷载的基本 ５ ｋ Ｐ ａ ５ ｋ Ｐ ａ ． ， 屋盖钢结构的风洞试验在广东省建 风压 ０． ４ ５ ｋ Ｐ ａ 筑科学研究院进行 ， 其体型系数和风振系数根据风 洞 试 验 报 告 取 值． 屋 盖 的 温 度 作 用： 考虑升温＋ 降温 －３ 同时考虑到上单管拱会受到阳光 ０℃ ， ３ ０℃ ， 其另按升温 ＋６ 的直接照射 ， ０℃ 考虑 ． 本文分析时采用澳大利亚通用结构有限元分析 程序 Ｓ 由于屋盖钢结构的一侧支承在 ｔ ｒ ａ ｎ ｄ ７ 软件 ． 下部混凝土结构上 ， 下部混凝土结构支座的刚度会 对整个结构的分析有一定影响 ． 从分析的结果来看 ， 考虑下部混凝土看 台 真 实 刚 度 情 况 下 ， 拱的面外变 形较不考虑下部看台刚度的 情 况 增 加 了 约 １ 支 ０％ ， 承屋盖钢结构的斜钢管混凝土柱的内力两者相差较
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２ ， 展开面积约为 ９ 屋盖钢结构总用钢量（ 未包 ４ ０ ０ ｍ
， 作者简介 ：孙文波 （ 男， 江苏靖江人 ， 博士 ， 教授级高级工程师 ， 主要从事大跨度空间结构方面的研究与设计工作 ． １ ９ ６ ９—） ： 通讯联系人 ： 王剑文 ， 男， 工程师 ． Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｔ ｏ ｍ＿ ｗ ａ ｎ ５ ５＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ ｇ
如图２ 钢梁 靠 近 中 部 的 最 大 外 悬 挑 长 度 为 １ ８． ８ ｍ， 中粗实线 所 示 ． 屋面主钢梁的一端（ 靠近体育场内 侧） 支承在双拱支承 体 系 上 ； 主钢梁的另一端（ 靠近 体育场 外 侧 ） 支承在斜钢管混凝土支承柱上（ 如 图 ３， 所示 ） 斜钢管混凝土支承柱与 混 凝 土 看 台 采 用 为其提供必要的侧向支承 ． 由 插入式牛腿形式连接 ， 于屋面为拱形 ， Ｈ 型结构主檩条一方面为主钢梁提 另一方 面 也 承 担 了 屋 面 系 统 传 来 较 大 供侧向支承 ， 的轴力 ． 结构主檩条 在 与 主 钢 梁 的 连 接 节 点 均 采 用 刚性连接节点 ．
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Hale Waihona Puke Baidu
空 间 结 构 元分析详见文献 ［ ６］ ．
第１ ９卷
体育场 屋 盖 的 双 拱 支 承 结 构 体 系 由 上 单 管 拱 和下空间三角拱组成 ， 如图 ３～ 图 ５ 所示 ． 其中上单 管拱由 钢 管 形 成； 下空间拱由一 ２ ０ ０ ０× （ ２ ８～３ ４） 榀三角形拱形桁架组成 ， 其中三角拱形桁架的上弦 下弦由单根钢管 由两根 钢 管 截 面 ８ ０ ０×２ ０ 组 成， 下空间 三 角 拱 的 中 部 直 腹 杆 截面 １ １ ０ ０×２ ２ 组成 ， 截面为 中部斜腹杆截面为 下 １ ５ ９×６， ２ ７ ３×１ ０． ， 空间拱在中 部 平 均 高 度 为 ６． 如图 ４ 所 示） ３ １ ５ ｍ（ 下空间三角 拱 桁 架 内 部 高 度 恰 好 可 以 结 合 布 置 灯 光马道 ． 下空 间 拱 靠 近 中 部 位 置 高 度 最 高 ， 慢慢渐 变至端部摇摆柱处并汇 交 于 一 点 ， 其细部构造做法 如图 ６ 所示 ． 由于在下空 间 三 角 拱 两 端 的 端 部 汇 交 且 受 力 复 杂， 同时也为了满足建筑美 的杆件较多 ， 观的要求 ， 在 设 计 上 采 用 了 铸 钢 节 点 形 式， 铸钢件 节点如图 ７ 所示 ． 铸钢节点的长度约为 ８ 铸 ７ ５ ６ ｍｍ， 钢件的壁厚为 １ 铸钢件上下连接耳板的厚度 ０ ０ ｍｍ， 为１ 单个 铸 钢 件 的 总 重 量 接 近 ６ 铸钢件 ４ ０ ｍｍ． ０ ｔ ． 内部在上下耳板位置处增设了连通的加劲 肋 ． 图 ８、 图 ９ 也给出了这类结构 体 系 典 型 节 点 的 细 部 做 法 ． 这类双拱支 承 体 系 结 构 的 关 键 位 置 处 的 节 点 有 限