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索―桁架结构设计及施工【摘 要】结合工程实例，介绍索―桁架结构的设计与施工过程。指出该类结构在设计和施工过程中应该注意的几个问题。 【关键词】索―桁架结构；非线性分析；施工阶段分析 1 项目概况 广东省东莞塘厦体育中心项目位于广东省东莞市塘厦镇行政文化新区，按国家一级体育建筑标准兴建，占地面积8万平方米，建筑面积18000平方米，总投资达1亿元。馆内设有标准配套的篮球场、游泳池、健身房、训练场、电视直播室、新闻发布室、医疗室、休息室及办公区，可容纳观众约5000人。是集体育竞赛、群众体育、文化娱乐于一体，目前东莞规模较大、功能最为齐全的现代化体育活动中心。 主建筑长173米，宽72米，建筑造型层层递进，犹如一艘即将扬帆远行的轮船，外墙面为幕墙，整个建筑富有层次感和鲜明的时代特征。（图1.1） 2 结构选型 本工程主体为三层钢筋混凝土框架结构，上部屋盖为钢结构。按照建筑功能和建筑体形划分为A、B、C三个区，分别采用不同的结构形式。结构平面见图2.1。 各区都是独立的曲面管桁架，其中A区和C区布置有预应力拉索。A区悬挑长度为40米，在距悬挑边12米的位置设置拉索连接桁架上弦和钢管柱，两侧下弦用稳定索与地面相连，为了平衡钢管柱所受的水平拉力，在钢管柱与后排的格构柱间也用拉索连接。由于造型的需要，C区也设置拉索连接桁架上弦和钢管柱。结构整体计算模型如图2.2。A区属于索―桁架结构，本文主要以A区为例展开论述，计算模型如图2.3，边榀桁架计算简图如图2.4。 3 结构分析与设计 3.1 设计荷载取值 依据《建筑结构荷载规范》，并结合本工程的实际使用功能要求，各荷载标准值如下： 3.1.1 恒荷载 夹心板屋面恒载为0.2KN/m2。带玻璃采光顶部分屋面恒载为0.5KN/m2。 3.1.2 活荷载 屋面活载取0.5KN/m2。屋面吊挂活载取0.3KN/m2。 3.1.3 风荷载 屋面不同高度的风载取值如下： 对墙面则可根据规范按迎风面、背风面分别取值计算，再导算至相应的节点上。 3.1.4 温度荷载 设计时温度荷载取为±20℃。 3.1.5 地震荷载 东莞抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。 3.2 荷载组合 根据《预应力钢结构技术规程》，预应力钢结构按承载能力极限状态计算时的基本组合应采用下列设计表达式： 3.3 构件规格及材质 本工程综合考虑各种因素后，主要钢材采用Q345B级钢。所用的钢管规格有：桁架弦杆245x10；桁架腹杆159x6、180x10等多种；塔柱800x20和600x18；格构柱600x18。； 预应力索索体选用热挤聚乙烯护层扭绞拉索，主受力索规格为φ5x187，抗风索规格为φ5x301，拉索抗拉强度不小于1570Mpa。 3.4 设计采用的软件及结构分析方法 在进行计算分析之前，首先要明确采用非线性分析的柔性钢结构体系的三个状态： 零状态：零状态时的结构是加工放样后的索段和构件的集合体。零状态时结构不存在预应力，不承受外部荷载和自重的作用。 初始状态：指结构仅在预应力和自重作用下的自平衡状态。不考虑外部荷载的作用。 工作状态：指结构在外部效应作用下所达到的平衡状态。 将非线性索单元平衡方程和非线性桁架单元、非线性梁单元的平衡方程组装后可得到预应力结构体系的总体平衡方程，其一般表达式为： 求解该非线性平衡方程可得到结构荷载-位移的全过程曲线以及结构的稳定极限承载力。 对于大跨度长悬挑索―桁架结构要考虑空间协同作用，在计算时需要整体建模、整体分析。本工程主要是采用有限元分析软件MIDAS对整体结构进行几何非线性分析，并进行结构设计，用3D3S对设计结果进行校核。 3.5 静力分析结果 4 施工控制 4.1 施工阶段分析 索―桁架结构需要对施工过程进行分析计算，其主要原因在于：第一，这种结构一般体型较大，刚度相对较柔，在分析中可以归结为大位移小应变的弹性问题来分析，需要采用非线性有限单元法来求解；第二，对于施工过程的计算本身来说，不同的施工阶段和施工内容对应于不同的结构图式，从计算模型的角度分析，在结构施工的不同阶段，结构体系在动态变化――结构构件的增加或者减少、杆件约束的变化、荷载的增加或减少、预拉力的施加等等――这些都导致了结构的超静定次数、结构内力和位移的不断变化，而且每一步施工过程计算必须在上一步施工过程计算所得到的内力和位移的基础上进行才能确保结构的安全度。 以图2.3为模型，利用有限元分析软件MIDAS的施工阶段分析模块进行非线性有限元的计算分析。 4.1.1 设计索力 预应力索的