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索拱组合门架结构设计和分析设计

收藏本文 2024-01-30 点赞:28679 浏览:132072 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:结合一开发区入口处的景观工程,介绍一索拱组合门架工程的结构体系特点、结构分析和设计及节点构造,可供类似设计参考。
关键词:索拱结构节点构造设计与分析
Abstract: Combined with a development zone entrance landscape project, introduces the structure system, analysis and design and node structure of a cable- arch composite door frame structure.
Keywords: cable-arch structurenod structuredesign and analysis

1、工程概况

某开发区入口处的门架(门楼)工程是新区的门户,地理位置较为显著,建成后应体现门户应有的形象,成为新区的一张名片。这就决定了该工程为一景观建筑,建筑视觉效果是第一位的,结构的合理性只能屈从于建筑要求。经过反复比选论证,决定采用索拱组合结构体系。主体结构由三部分组成,分别为拱、拉索、塔柱,如图1所示。

(1)图

(2)总平面图
图1 图及总平面图
主拱横跨国道,采用三角形立体钢管桁架结构,跨度为82.8m。拱所在的平面向地面倾斜,主拱刚接于地面。塔柱位于拱的一侧,拱通过拉索锚固于混凝土塔柱上。索在提供给拱向上提升力以平衡重力的同时对拱施加一个横向分力,这就要求拱本身具有一定的横向刚度来抵抗该横向力。拱采用由三弦组成的三角形立体钢管桁架结构,该结构能很好地提供拱所需的横向刚度,同时又具有立体感,不失美观。各弦两两组成平面,各弦杆和腹杆位置相互关系如图2所示。

图2 弦杆、腹杆平面位置图
弦1、弦2、弦3弦长均为82.8m,矢高分别为21.4m、20.9m、16.9m。弦杆采用的钢管规格为∅450X10;腹杆除在拱脚位置处采用∅245X16钢管外,其余位置处均采用∅245X8钢管。
拉索采用OVM预应力钢丝束,规格为15-4,根数为8根。在该结构体系中,拉索并不是额外增加体系刚度的附属构件,而是不可缺少的主体构件。
塔柱全高49.9m,锚固点高34m. 塔柱作为整个结构体系的抗力构件,要求其刚度大,并具有视觉上的厚重感。经过综合考虑,塔柱采用钢筋混凝土变截面结构,柱底截面边长4.2m、柱顶截面边长

2.3m。混凝土塔柱顶设置一焊接球壳装饰结构,直径

5.6m.

2、结构计算 该结构为空间受力体系,整个结构跨度大、高度较高,结构受力体系较复杂,结构计算采用空间结构分析设计软件MIDAS。

2.1荷载取值

恒载:包括结构自重和上部膜结构重量,考虑节点和防腐材料等。活载:考虑到雪以及结冰等,取0.5kN/m2。风荷载:基本风压,0.45 kN/m2,类别:A类,风振系数2.0,体系系数1.4。温度:考虑正负25°C。地震:6度(0.05g),设计分组为第一组,分别考虑水平和竖向地震。

2.2荷载组合

共考虑18种荷载组合:
1)恒载(

1.200) +活载( 400)

2)恒载( 0.500) +风荷载 (左)(

1.400)

3)恒载( 1.200) +风荷载(左)(-

1.400)

4)恒载(

1.200) +活载( 260) +风荷载(左)(-260)

5)恒载(

1.200) +活载( 260) +风荷载(横)( 260)

6)恒载(

1.200) +活载( 260) +风荷载(横)(-260)

7)恒载(

1.200) +活载( 260) +温度( 260)

8)恒载(

1.200) +活载( 260) +温度(-260)

9)恒载( 1.200) +风荷载(横)(

1.400)

10)恒载( 1.200) +风荷载(横)(-

1.400)

11)恒载( 1.200) +温度(

1.400)

12)恒载( 1.200) +温度(-

1.400)

13)恒载( 1.200) +活载(0.500)+地震(水平)( 1.300)+地震(竖向)(0.500)
14)恒载( 1.200) +活载(0.500)+ 地震(水平)( -1.3

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00)+地震(竖向)(-0.500)
15)恒载( 1.200) +活载(0.500)+ 0.9(地震(水平)( 1.300)+地震(竖向)(0.500)+ 温度( 1.400))
16)恒载( 1.200) +活载(0.500)+ 0.9(地震(水平)( -1.300)+地震(竖向)(-0.500)+ 温度( 1.400))
17)恒载( 1.200) +活载(0.500)+ 0.9(地震(水平)(1.300)+地震(竖向)(0.500)+ 温度( -1.400))
18恒载( 1.200) +活载(0.500)+ 0.9(地震(水平)(- 1.300)+地震(竖向)(-0.500)+ 温度( -1.400))

2.3主要计算结果

2.3.1挠度验算

经过反复调索,采用8根拉索,预拉力控制在120kN,各个索的预拉力相同。在最不利荷载作用下的结构竖向变形如图

3、4所示。


图3结构竖向最大变形(向上)(单位:mm)

图4结构竖向最小变形(向下)(单位:mm)
通过以上分析结果可以看出,预应力基本能够抵消结构自重产生的结构变形。结构最大竖向变形为158mm,跨度近似取82m,158/82000=1/519<1/400,满足《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的设计要求。

2.3.2弦杆、腹杆稳定应力验算

弦杆在最不利荷载作用下的最大稳定应力比为0.57,腹杆在最不利荷载作用下的最大稳定应力比为0.54,满足《钢结构设计规范》(GB50017-2003)的设计要求。弦杆、腹杆的最大稳定应力均出现在拱脚位置附近。

2.3.3基础验算

塔柱及主拱基础均采用桩基础,两桩基础均受轴向力和水平力的联合作用。采用《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)进行验算,桩基承载力满足轴向力作用下 ,及偏心力作用下 的要求。

3、节点设计

节点设计应做到:符合计算模型的受力模式,构造合理、耐久可靠、便于施工。
弦杆与腹杆钢管之间的连接采用直接相贯的焊接节点,弦杆与拉索之间的连接通过焊接在弦杆上的耳板连接,如图5所示。

图5 弦杆、腹杆及拉索节点图
拱脚节点采用刚接点,全焊接结构。拱拱脚节点设计如图6所示。

图6 拱脚节点图
其具体方案为:①首先完成承台第一次浇注和锚栓设置;②安装钢管柱脚和钢格室结构,并预留浇注孔和冒浆孔;③完成承台第二次浇注,并保证钢管柱脚和钢格室混凝土灌注密实;④吊装主拱就位,完成主拱各弦杆和钢格室顶板的焊接,并加焊弦杆加劲肋。
拉索在塔柱上的锚固通过在混凝土塔柱顶埋钢管,然后在顶埋钢管上焊接耳板来实现,如图7所示。

图7 拉索在塔柱上的锚固节点
4、结语
本工程是一个结构整体性较差、刚度较弱的预张力索拱组合结构体系,其设计与分析同时受刚度、承载力和稳定性的控制,拱、拉索、塔柱等构件的合理选型和相对位置布置是其设计成功的关键;同时各节点的设计也是其得以实现的重要保证。
参考文献
《钢结构设计规范》(GB50017-2003);
《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)。

作者简介:洪英维;性别:男;出生年月:1979年7月;籍贯:江西奉新;学历:硕士
工作单位:江西省交通设计院;职称:工程师;
注:文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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