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膜結構工程中鋼結構軸線與節點的設計

  一、軸線形式:

  膜結構工程中拱形鋼結構的軸線選擇包括軸線形狀和矢跨比確認兩方面,應使其在主體荷載工況之下以軸壓受力為主、具有較高的承載力。通常膜結構中鋼結構的軸線形式包括有圓弧形、拋物線形、懸鏈線形以及橢圓形等,其中全跨水平均分布荷載作用之下的拋物線拱、全跨軸線均布荷載作用之下的懸鏈線拱是工程中常見的兩種均勻受壓拱模型。實際的設計中荷載情況復雜,宜根據荷載效應的組合控制工況,進行軸線的優化分析,確認合理的拱軸線形狀。例如某體育場鋼結構屋蓋采用空間矩形截面桁架拱,由兩側的拉索懸吊屋蓋的部分重量。通過對結構自重、懸吊荷載及活動屋蓋開合等工況為主的荷載控制工況下拱的受力分析,終端確認接近懸鏈線的拱軸形狀。此外,拱軸線也需要考慮建筑物功能的要求,如某育場膜結構工程的開合結構,其空間鋼管桁架拱作為活動屋蓋部分開合時的運行軌道為圓弧形,以保障屋蓋臺車在曲率恒定的曲面上順暢運動。對于矢跨比的取值,當鋼拱的跨度一定時,通常存在使其承載力越高的越優矢跨比(約為0.2),并結合建筑功能要求確認。對于車輻式素拱而言,矢跨比宜選擇在0.3~0.5之間,素盤位置應控制在拱腳連線上,宜位于拱矢高的一半附近,此時其穩定性能及承載效率較優。

  二、截面形式與節點構造:

  關于截面形式,通??梢赃x擇工形的開口截面或者圓管、箱形的閉合截面,或其他越為復雜的組合截面形式??紤]膜結構建筑拱形鋼結構平面外穩定性時,采用閉合截面將獲得較高自由扭轉剛度和平面外彎曲剛度,還可灌入混凝土形成鋼管混凝土結構。對三角形截面的鋼管桁架拱,宜優先選擇正三角形截面。研究結果表明,在全跨水平均布荷載作用下,當矢跨比大于0.15時,正三角形截面拱的承載力比倒三角形截面高很多,這主要源于正負彎矩沿拱軸線的變化不像簡支梁那樣沿軸線彎矩一直為正,進而使上弦桿一直受壓并受穩定性控制。

  膜結構工程中鋼結構的節點設計應該遵循構造簡單、整體剛度好、傳力明確、安全牢靠、節約材料和施工方便等原則。一般其節點選型和其他鋼結構形式相類,比如鋼管桁架拱可以參考鋼管桁架柱、桁架梁節點構造的處理方法,索拱結構之中拱體與撐杄、拉索之間的節點可以參考其它預應力鋼結構的規范規程或相關經驗進行設計。格外針對車輻式索拱結構,《拱規》參考國外工程的資料,給出了可以供參考的平板節點、鑄造節點等索盤節點形式。

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