探究大跨度拱形钢结构桁架设计

探究大跨度拱形钢结构桁架设计

本文主要探讨了大跨度拱形钢结构桁架在结构形式、轴线形式、截面形式与节点构造、拱脚设计、面外支撑布置以及屋盖结构等方面的设计。

标签： 大跨度；拱形；钢结构；桁架；设计

拱形钢结构桁架是众多结构体系中的一种，在建筑结构及桥梁结构中有着广泛的应用。拱形钢结构桁架作为一种合理有效的结构体系，更是广泛地应用在大跨度结构及空间结构中，如体育馆、会展中心、航站楼等。从力学的角看，建筑结构的发展都遵循着一个基本的客观规律，将外荷载产生的弯矩转化为构件的轴向拉压力，从而提高结构的效率。

随着工程施工的发展以及施工需求的不断增长，在工程建筑施工中，对于大跨度拱形钢结构形式的应用越来越多，进行大跨度拱形钢结构桁架设计分析，有利于提高大跨度拱形钢结构桁架的设计水平，提高工程结构施工建设质量水平。

在拱形钢结构设计中，结构与节点的选型，涉及结构形式、轴线形式、截面形式、节点构造、拱脚设计、面外支撑布置等方面。《拱形钢结构技术规程》中规定，拱形钢结构选型应根据建筑物的功能要求、荷载条件、跨度、施工方法及基础条件综合确定。优化选型参数可使拱形钢结构具有合理、明确、可靠的传力和受力性能，保证设计的安全性和经济性。

1 结构形式

在拱形钢结构中，可选择实腹式截面拱、钢管桁架拱、索拱或钢管混凝土拱等。实腹

式截面拱一般用于中小跨度结构中，常用的截面形式有圆钢管、箱形及工形截面等。当有设备管线穿过或建筑美观要求时，可选择腹板开孔式钢拱。若采用圆管或箱形截面，可在拱身内填充混凝土成为钢管混凝土桁架拱，其刚度和稳定承载力将有效提高，且局部稳定性、抗火性能、防腐性能等都有较大改善，适用于更大跨度的情况。钢管桁架拱通过格构的方式将拱轴内弯矩转化为弦杆的轴力，具有更高的承载效率，因此常用于超大跨度空间结构中，特别应用在桥梁工程中。

索拱结构可以根据设计需要将拉索、撑杆或索盘与其他任何形式的纯拱进行组合，形成受力合理、经济高效的受力体系。但索拱中增加拉索将减小拱的内部空间（净矢高），需根据使用功能合理选择。

弦张式索拱与车辐式索拱通过拉索的约束和牵制作用限制拱体的变形发展，从而达到提高拱体刚度与整体承载力、减少拱脚推力的目的。这种类型的索拱结构通过拉索与拱体的拉扯作用，可以明显改善拱体的受力性能，降低纯拱结构对反对称几何初始缺陷的敏感性，提高半跨荷载下的承载力。弦撑式索拱结构通过撑杆的反向作用给拱体提供弹性支承，进而降低拱体的峰值弯矩，提高结构的整体刚度与承载力，与张弦梁的受力机理类似。一般地，钢拱的矢跨比越大、长细比越大，拱体变形越明显，因此，拉索对拱体稳定性能的提高作用越显著。

2 轴线形式

拱形钢结构的轴线选择包括轴线形状和矢跨比确定两方面，应使其在主要荷载工况下以轴压受力为主、具有较高的承载力。通常拱形钢结构的轴线形式有圆弧形、抛物线形、悬链线形及椭圆形等，其中全跨水平均布荷载作用下的抛物线拱、全跨轴线均布荷载作用下的悬链线拱是工程中常见的两种均匀受压拱模型。实际设计中荷载情况复杂，宜根据荷

载效应组合的控制工况，进行轴线的优化分析，确定合理的拱轴线形状。例如鄂尔多斯东胜体育场钢结构屋盖采用空间矩形截面桁架拱，由两侧的拉索悬吊屋盖的部分重量。通过对结构自重、悬吊荷载及活动屋盖开合等工况为主的荷载控制工况下拱的受力分析，最终确定接近悬链线的拱轴形状。此外，拱轴线也需要考虑建筑物功能的要求，如南通会展中心体育场的开合结构，其空间钢管桁架拱作为活动屋盖部分开合时的运行轨道为圆弧形，以保证屋盖台车在曲率恒定的曲面上顺畅运动。对于矢跨比的取值，当钢拱的跨度一定时，通常存在使其承载力最高的最优矢跨比（约为0.2），并结合建筑功能要求确定。对于车辐式索拱而言，矢跨比宜选择在0.3～0.5之间，索盘位置应控制在拱脚连线之上，宜位于拱矢高的一半附近，此时其稳定性能及承载效率较优。

3 截面形式与节点构造

关于截面形式，一般可以选择工形的开口截面或圆管、箱形的闭合截面，或其他更为复杂的组合截面形式。考虑拱形钢结构平面外稳定性时，采用闭合截面将获得较高的自由扭转刚度与平面外弯曲刚度，还可灌入混凝土形成钢管混凝土结构。对于三角形截面的鋼管桁架拱，宜优先选择正三角形截面。研究表明，在全跨水平均布荷载作用下，当矢跨比大于0.15时，正三角形截面拱的承载力比倒三角形截面高很多，这主要源于正负弯矩沿拱轴线的变化，不像简支梁那样沿轴线弯矩始终为正，进而使上弦杆始终受压并受稳定性控制。

拱形钢结构的节点设计应遵循构造简单、整体刚度好、传力明确、安全可靠、节约材料和施工方便等原则。通常其节点选型与其他钢结构形式类似，比如钢管桁架拱可参考钢管桁架柱、桁架梁的节点构造处理方法，索拱结构中拱体与撑杆、拉索之间的节点可参考其他预应力钢结构的规范规程或相关经验进行设计。特别针对车辐式索拱结构，《拱形钢结构技术规程》参考国外工程资料，给出了可供参考的平板节点、铸造节点等索盘节点形式。

4 拱脚设计

由于拱形钢结构的拱脚一般具有较大的推力，《拱形钢结构技术规程》中规定，拱脚支座应采用传力可靠、连接简单的构造形式。由于拱脚边界条件对钢拱的受力、稳定性以及下部基础（或支承结构）反力的影响较大，因此，拱脚支座的构造应保证与计算假定一致。拱脚为铰接时，其构造设计应尽量保证其拱脚具有充分的转动能力，且能有效传递剪力和轴力；刚接时宜扩大拱脚截面，使其能高效充分传递弯矩，否则应根据实际构造情况，在计算时考虑拱脚节点的弯矩-转角特性。拱脚构造使得内力传递越简单，越能保证其可靠性。

通常拱形钢结构在竖向荷载作用下的拱脚推力较大，因此，当为落地拱时，可考虑设置连接拱脚的钢绞线或型钢拉杆来平衡拱脚推力，以减小基础负荷。当拱形钢结构支承于下部结构上时，建筑造型上不宜设置拉杆拱，此时应重视下部结构刚度和承载力的设计。此外对于拱脚的构造措施，《拱形钢结构技术规程》建议，刚接拱脚处一般弯矩较大，可采取构造措施如填充加劲板或填充混凝土加强，以防止拱脚处构件应力过大而引起构件局部屈曲或强度破坏。实腹式截面拱采用铰接拱脚时，可设置拱脚加劲肋并采用销轴连接；拱脚刚接时，拱脚部位的截面高度宜适当扩大，或采取加强措施如设置加劲肋或填充混凝土等。腹板开孔钢拱的拱脚附近宜避免开孔。

5 面外支撑布置

拱形钢结构的设计，不仅要满足平面内稳定承载力的要求，也应考虑面外支撑的设置。因为无面外支撑拱的面外稳定承载力较低，常为结构设计的控制因素之一。因此工程中常采用钢桁架、钢梁、檩条及屋面板体系等对拱形钢结构形成面外支撑，防止其面外失稳的发生。

6 屋盖结构的设计分析

6.1对工程项目中的屋盖结构形式进行选择确定。不仅对于建筑形式的要求比较高，特殊性较强，并且对于建筑项目的室内空间需求比较大，结合项目工程的这些施工设计要求与特点，在进行施工设计过程中，为了满足工程项目的大空间需求，同时保证建筑屋盖结构部分的应力荷载与质量等，专门采用了大跨度拱形钢结构桁架进行该体育馆建筑屋盖部分的设计应用。在进行屋盖结构形式的设计过程中，由于屋盖结构的跨度比较大，因此，为了保证大跨度范围下屋盖结构的荷载强度与质量，专门采用钢桁架结构形式进行屋盖结构的施工设计，并且钢桁架结构中，每榀桁架的主弦管以及腹管、支管等，都采用的是不同直径但是统一厚度的低合金高强度结构无缝钢管，作为钢桁架结构材料，并且进行钢桁架结构的连接中统一采用全焊接结构进行焊接实现，以保证该建筑屋盖的结构质量。

6.2在进行大跨度拱形钢结构桁架屋盖结构的设计中，除了需要从结构材料与强度等方面进行结构形式的荷载质量与强度保证外，还需要通过对于结构的风敏感性以及风荷载情况等进行设计考虑与计算分析，以实现对于大跨度拱形钢结构桁架形式质量的保证。

7 结语

钢结构管桁架，作为建筑屋盖结构中比较重要的一种，特别适用于大型建筑工程。一方面，钢结构管桁架能够更好地保证建筑的安全性能，另一方面，钢结构管桁架伸缩能力强，高度符合现代建筑设计中讲求美观效果的理念，可以完美的表达出设计者对于建筑物设计的本意，体现设计者的意志。并且，钢结构的成本相对较小，对于建筑企业施工成本是一项重要的保证。钢结构管桁架作为一种结构体系，对于大跨度空间结构的发展也能够提供完美的保障，从而实现力与美的紧密融合。钢结构管桁架设计的结构体系，已经被广泛的应用于实践当中，实践证明，这种体系形式具有很强的发展能力，必然会在今后的建

筑中发挥更加积极的作用。

参考文献：

[1]北京钢铁设计研究总院.GB50017-2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[2]王小安.某體育场巨型钢管桁架拱整体旋转起扳及滑移施工技术[J].施工技术，2009，38（11）

[3]杨春峰，李晓润.飓风区大跨度拱形钢管桁架结构设计[J].钢结构，2011（11）