内凹式索—拱结构平面内极限承载力理论分析及试验研究

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1、东南大学硕士学位论文(g)(b)(d)(h)图1．9索拱结构布索方案索拱结构通过引入拉索到拱形结构中，克服了拱形结构的缺点，改善了结构的受力和变形状态，但也存在着或多或少的问题。如索元较多致使张拉工序繁琐，影响建筑效果，减少了自由空间；而较少的索元却不能达到有效改善结构受力和变形状态、提高结构极限承载力的目吲111。新广州站工程采用了一种新型的索拱结构形式“内凹式索拱”结构(如图1．10所示)，该索拱结构将拉索和撑杆引入到拱结构中，在拱的三分点位置附近设置撑杆，并通过预应力拉索与拱脚相连。相对其它索拱结构而言，内凹式索拱结构的撑杆和拉

2、索数量少，结构形式轻盈、美观，拉索的张拉也较为简便。内凹式索拱下弦预应力拉索与上弦拱共同工作，较好地解决了张弦梁结构的抗风问题，同时又为建筑提供了更高的净空和更完美的视觉效果。内凹式索拱结构通过拱与拉索的灵活搭配，不仅能够调节拱脚位置的水平推力，降低对屋盖结构支承结构的要求，并且能够增加结构的平面内刚度，改善拱结构的缺陷敏感性，有效控制拱结构在不对称荷载下的变形状态和破坏模式，提高结构的稳定极限承载力。揪图1．10内凹式索拱结构示意图4第一章绪论1．4索拱结构极限承载力研究现状在钢结构的设计中，稳定是一个时刻需要引起我们注意的问题，是

3、决定结构承载力的一个特别重要的因素。1907年Quebec钢桥坠毁事故、1978年Hartford城体育馆网架坠毁事故、1990年辽宁省某重型机械厂梭形轻钢屋架塌落事故等，都是因设计者对稳定问题研究不足而导致。拱是一个以受压为主的结构，如压杆一样，拱也会丧失稳定由一种稳定平衡状态转移到另一稳定平衡状态【I2。。众所周知，拱是受力极为合理的结构形式，拱自重小、跨度大，充分利用材料强度，在全跨荷载作用下具有承载力高、变形小等优点；但在半跨荷载作用下，其变形呈现为加载半跨向下扰屈，非加载半跨向上扰屈的变形规律【7】，而且拱的变形较大时，承载

4、力会有较大下降【l51。集中荷载作用下，拱有承载力下降较多，变形较大的缺点ll6

5、。此外全跨荷载作用时，拱脚的水平推力很大，随着矢跨比的减小，水平推力增大。为了改善拱结构的受力和变形特点，剧锦三、郭彦林曾于1998年在《网壳结构稳定性研究的现状与展望》一文中提出索拱杂交结构形式【17】，旨在通过合理的布索，改善结构的变形和受力状态，控制结构的变形发展，增大它的稳定承载力。关于索在索拱结构中的作用，剧锦三等应用非线性有限元法研究了图1．9(b)、(c)所示的索拱结构在全跨、半跨均布荷载和集中荷载作用下索对索拱结构平面内弹性稳定性的影响，

6、并采用牛顿一拉弗森法和弧长法对索拱结构的非线性稳定分析进行了全过程平衡跟踪，对后屈曲过程进行了研究。研究表明，索可以非常有效地控制拱结构的失稳和破坏模式，提高其极限承载能力【8'9’l引。对于图1．9(b)所示布索形式，索可以有效影响半跨荷载作用时的极限荷载，而对全跨均布荷载和集中荷载作用时的影响较小；对于图1．9(c)所示的布索形式，索不仅可以有效影响半跨荷载作用时的极限荷载，而且对全跨均布荷载作用下的极限荷载也有影响[9】。通过对预应力索拱结构性能的研究表明，拉索的预应力对各种荷载作用下的极限承载力影响不大；半跨荷载作用下索拱结构

7、的最佳矢跨比为0．4左右【8】。丁建国等对图1．9(c)所示的索拱结构进行了弹性稳定性分析，研究发现：与拱结构相比较，索拱结构在对索施加预应力的情况下，对跨中集中荷载的极限承载力无明显影响。同时发现索与拱的连接点越接近铰支座处，跨中集中荷载作用下的极限值会越大【9,19】。张宇峰、舒赣平、吕志涛等对不同布索方案和不同拱脚抗推刚度的预应力索拱结构的内力和变形进行了研究[20】，表明索拱结构中如果对拉索施加预应力，则可将预应力索看作无需考虑受压失稳的直杆，预应力索拱结构可以看作是在拱体上设置了多点弹性支撑的特殊结构，如此便大大增强了拱体的

8、强度、刚度和稳定性，对于图1．9(f)所示的预应力索拱结构，通过调节预应力的大小，可以使各工况下拱脚水平推力达到最小。拱脚抗推刚度对索拱结构的受力性能影响较大，宜在拱脚设置水平向弹簧支座，以考虑拱脚支座的抗推刚度，而不宜采用固定铰或滑动铰支座。索拱结构中，所施加的预应力并非越大越好。郭彦林等对图1．9(g)所示的索拱结构进行弹性稳定性分析【10】发现，在全跨均布荷载和半跨均布荷载作用下，索拱结构的极限承载力和刚度均大于纯拱结构，尤其是在全跨均布荷载作用下。在全跨均布荷载作用时，索拱结构的极限承载力随着撑杆高度的增加而增大，但在半跨均布

9、荷载作用时，极限承载力增加不明显。在全跨荷载和半跨荷载作用下，拱的最佳矢跨比在0．3~o．4之间。郭彦林、王高宁等对图1．9(e)所示的车辐式索拱进行了弹性稳定性研究[2l】。通过对车辐式索拱结构的稳定性能和变形过程分析