索拱组合门架结构的设计与分析

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。


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）透视图
（2）总平面图
图1 透视图及总平面图
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( 1.400)
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( 1.260) +风荷载(左)(-1.260)
5)恒载( 1.200) +活载( 1.260) +风荷载(横)( 1.260)
6)恒载( 1.200) +活载( 1.260) +风荷载(横)(-1.260)
7)恒载( 1.200) +活载( 1.260) +温度( 1.260)
8)恒载( 1.200) +活载( 1.260) +温度(-1.260)
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）( -1.300)+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。