某乐园建筑大跨度三角桁架结构设计（2）

5 拉索单元设计与优化

在人鱼王国中，屋面桁架的上弦平面以及下弦平面，沿着结构四周，分别布置了上弦与下弦水平支撑，以增加结构的平面刚度。水平支撑采用了Q345的交叉圆钢拉索。

拉索是尤为常见的结构构件，如门式刚架中，柱间支撑、屋面水平支撑一般都用到交叉布置的拉索。门式刚架采用平面方法进行计算，如门刚立面用平面刚架软件进行计算，而支撑则是抽取支撑立面用单独的工具计算。这种方法的优点是计算简单，缺点是平面模型未能反映拉索真正的受力状况。

与其他型钢圆钢管等结构杆件相比，拉索是一种特殊的杆件，其截面较小，属于柔性材料，一般只受拉不受压，因此是一种非线性材料。其与线性材料不同的是，对于风荷载和地震荷载，需要建立0°、90°、180°、270°4个方向的荷载工况。在荷载组合时，需要建立如下4个荷载组合：1.3D+1.4E _x0 、1.3D+1.4E _y90 、1.3D+1.4E _x180 、1.3D+1.4E _y270 。

如图9所示，为 W _{x 左风} 工况下拉索的内力值。交叉的2根拉索，1根为正值，1根为0，这符合只拉单元的受力特点。

     

图9?上弦拉索单元内力示意， W _{x 左风}

6?施工阶段分析

屋面钢结构在分析过程中，发现拉索的内力和截面都较大，特别是左右端跨的拉索构件。拉索在不同工况下产生的内力值如图10所示。

     

（a）

     

（b）

     

（c）

图10?不同荷载工况作用下拉索内力值

（a）钢构件自重；（b）施加的永久荷载；

（c）可变荷载

屋面钢结构施工过程一般可以分为以下几个阶段：（1）在混凝土结构施工完成后，先是吊装一榀的钢桁架，拉索尚未张紧；（2）钢桁架吊装完毕，再进行连接焊接，然后再进行拉索张紧，拉索开始受力；（3）在钢桁架和拉索施工完毕后，整个屋面结构成型，可以进行下一步施工，如铺装檩条、铺装屋面板。完工后的钢屋面就可承受其他的竖向荷载和水平荷载。

根据以上施工过程，把屋面钢结构分为2个施工阶段。施工阶段1，混凝土结构及基础施工完成，钢桁架已吊装完成，拉索已安装但尚未张紧。屋面檩条、屋面板等未安装，此时荷载为钢桁架的自重。施工阶段2，在阶段1的基础上，张紧了拉索单元。此时荷载为除了阶段1的自重外，还有施加的屋面永久荷载、可变荷载等。2个施工过程如图11、图12所示。

     

图11?施工阶段1

     

图12?施工阶段2

经分析运算，考虑施工阶段分析后，拉索内力减小，可以减小单元截面。图13、图14是考虑施工阶段和不考虑施工阶段2个阶段的拉索内力对比。

     

图13?考虑施工阶段拉索内力

     

图14?不考虑施工阶段拉索内力

7?整体计算结果

（1）周期与振型。从振型结果看，前几个振型 均为平动方向振型（图15、图16），说明结构整体刚度较好。

     

图15?模态1

     

图16?模态2

（2）变形。人鱼王国靠近海边，水平方向变形在风荷载作用下最大。结构在 W _y 工况下变形如图17所示。

     

图17?变形结果 W _y 工况（mm）

W _y 工况下最大变形位于中间桁架柱顶位置，最大为52?mm。52/21500 < 1/250，满足要求。

（3）应力比。主桁架弦杆应力比控制在0.85以 内，其余杆件应力比控制在0.95以内。应力比结果如图18所示。

     

图18?应力比结果

8?节点有限元分析

有限元分析采用了midas FEA进行计算。对人鱼王国钢结构A节点（图19）进行建模，求解完成后，查看von Misses等效应力，将网格应力进行统计， 见表2。

     

图19?选取节点位置

表2?网格应力统计

     

钢管材质为Q345，强度设计值 f =305?N/mm ² 。经分析可知，92.6?%的网格强度是满足要求的，局部超出钢材强度设计值。超出部分集中在+ y 方向支座加劲板与主桁架相交位置。进一步分析，支座节点位置，主桁架内部仅设有一块加劲板。

因此，后期模型加以改进，增加主桁架内加劲板。修改模型后，再进行划分网格。从结果中可见，网格最大应力为243?N/mm ² ，不大于305?N/mm ² ，故其满足要求。

9?结论

人鱼王国屋面钢结构选用了三角桁架作为空间桁架结构，满足了建筑方案对屋顶采光的要求，但也带来一些复杂的结构处理。支座节点荷载更大，分析更复杂。设计过程中还进行了拉索单元的分析、施工阶段的分析。经过分析计算，得出以下结论。

（1）结构方案应根据建筑功能要求选用，同时兼顾经济性及安全性。

（2）支座形式对结构布置、结构刚度都有显著影响，设计人员根据结构特点合理选择支座形式。

（3）对于非线性单元，计算结果需要符合非线性单元的受力特点。如只拉单元内力只有拉力，则压力为0。

（4）根据结构不同的施工顺序，考虑施工阶段分析更能反映结构真实受力情况。

（5）节点有限元分析方法能准确判断结构薄弱部位，也能判断节点设计是否合理。对于重要的节点，应根据有限元分析的结果，合理设置节点加 劲板。

（本文已完结）