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膜结构工程中钢结构轴线与节点的设计

  一、轴线形式:

  膜结构工程中拱形钢结构的轴线选择包括轴线形状和矢跨比确认两方面,应使其在主体荷载工况之下以轴压受力为主、具有较高的承载力。通常膜结构中钢结构的轴线形式包括有圆弧形、抛物线形、悬链线形以及椭圆形等,其中全跨水平均分布荷载作用之下的抛物线拱、全跨轴线均布荷载作用之下的悬链线拱是工程中常见的两种均匀受压拱模型。实际的设计中荷载情况复杂,宜根据荷载效应的组合控制工况,进行轴线的优化分析,确认合理的拱轴线形状。例如某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,终端确认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,如某育场膜结构工程的开合结构,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,以保障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越高的越优矢跨比(约为0.2),并结合建筑功能要求确认。对于车辐式素拱而言,矢跨比宜选择在0.3~0.5之间,素盘位置应控制在拱脚连线上,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。

  二、截面形式与节点构造:

  关于截面形式,通常可以选择工形的开口截面或者圆管、箱形的闭合截面,或其他越为复杂的组合截面形式。考虑膜结构建筑拱形钢结构平面外稳定性时,采用闭合截面将获得较高自由扭转刚度和平面外弯曲刚度,还可灌入混凝土形成钢管混凝土结构。对三角形截面的钢管桁架拱,宜优先选择正三角形截面。研究结果表明,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一直为正,进而使上弦杆一直受压并受稳定性控制。

  膜结构工程中钢结构的节点设计应该遵循构造简单、整体刚度好、传力明确、安全牢靠、节约材料和施工方便等原则。一般其节点选型和其他钢结构形式相类,比如钢管桁架拱可以参考钢管桁架柱、桁架梁节点构造的处理方法,索拱结构之中拱体与撑杄、拉索之间的节点可以参考其它预应力钢结构的规范规程或相关经验进行设计。格外针对车辐式索拱结构,《拱规》参考国外工程的资料,给出了可以供参考的平板节点、铸造节点等索盘节点形式。

膜结构工程