摘要：
（五洲工程设计研究院 丁大益 刘威）
[提要] 随着我国建筑材料工业的不断进步，使得许多新型的建筑结构形式得以实现，其中预应力钢结构的发展尤其迅速。本文结合四川省博物馆采光天棚的工程实例，分析了张拉筒壳结构在不同结构状态的受力机理，对索的初始预拉力值确定、结构的内力和变形计算、杆件及节点设计等关键问题进行了较为深入地分析，得出了一些有益的结论。
[关键词] 张拉筒壳 索 结构状态 预拉力
Cable Stayed Tube Shell Design for Sunshade of SiChuan Museum / Ding Dayi (Wuzhou Engineering Design
and Research Institute, Beijing 100053, China)
Abstract: As the development of building materials
industry, some new type structures have come true. Especially prestressed steel structures, who have
made a rapid progress in recent years. The work mechanism of cable stayed tube shell in different
structure status was presented with the Sunshade case of SiChuan Museum. Analysis was carried out on the
key issues, such as cable prestress value, force and deformation calculation, member and joint design and
so on. Finally some useful conclusions were brought forward.
Keywords: cable stayed tube shell; cable; structure status; prestress
在钢结构承重体系中，引入人为应力以抵消荷载应力，调整内力峰值，增强结构刚度及稳定性，改善结构其他属性以及利用预应力技术创建新体系的，都可称为预应力钢结构[1，2]。预应力钢结构灵活地选择受压构件形式和施加预应力的方式，从而发展出许多新的结构形式，张拉筒壳结构就是其中一种。张拉筒壳结构类似于张弦梁（桁架）结构，作为一种自平衡体系，它发挥了钢索抗拉强度高和筒壳抗压（拉）性能良好的特点，结构受力合理，能够实现较大的跨度。本文拟结合四川省博物馆采光天棚的设计，首先分析张拉筒壳结构在不同结构状态的受力机理，而后对缆索初始预拉力值的确定、结构的内力和变形计算、杆件及节点设计等关键问题进行较为深入地分析，得到一些可供相关结构设计参考的结论。
1. 张拉筒壳结构原理
张拉筒壳结构与张弦梁结构的不同之处在于，张拉筒壳是用对称的斜撑杆（或垂直杆）连接上部抗弯受压构件（筒壳）和下部受拉构件（索）而形成的自平衡结构。构成上部筒壳的拱形梁可近似看作多跨连续梁，对称斜撑杆（垂直撑杆）作为此连续梁的支点。预应力索可定义为三种状态：1) 初始状态，索施加预应力前的索段施工放样状态，即结构成形的起始状态；2)成形状态，结构在自重和预应力作用下的平衡状态，为结构承载变形的起始状态；3)荷载状态，即结构在承载后的平衡状态。上部的筒壳一侧边固定，另一侧边允许水平滑移来建立预应力，从而达到结构的“成形状态”。在“初始状态”的上部筒壳杆件主要受弯曲应力，成形后在“荷载状态”则视索预应力值和基本风压值的大小，上部筒壳杆件承受压力或拉力，缆索受拉。
2. 四川省博物馆采光天棚张拉筒壳设计
2.1 工程概况
新建的四川省博物馆入口采光天棚的建筑设计为圆柱面采光顶，长宽均为27m，弓高1.5m，建筑高度（檐口）约15m。设计为跨度27m的张拉筒壳结构，筒壳高度按建筑要求取1.5m，筒壳两侧支座，一边可设置为不动铰，而另一侧则设置为单向可动铰，对筒壳下部的缆索施加预拉力来平衡结构对支座的推力。结构下部为钢筋砼框架、独立基础。
张拉筒壳上部杆件采用焊接H型钢，成斜向交叉27度布置，沿跨度方向均匀对称设三道撑杆，撑杆的纵向间距为3.375m，索的垂度为0。缆索采用《斜拉桥热挤聚乙稀高强钢丝拉索技术条件》（GB/T18365－2001）标准。筒壳两端避开索的位置，设置抗风短柱，加设侧窗。
由于采光顶钢结构自重较轻，对风的作用非常敏感，设计结构的刚度充分考虑风振的影响，使结构在各种可能的荷载作用下，均具有有效恒定的刚度，并应使其固有频率偏离成都本地风的频率，避免结构发生共振效应。结构平面布置图见图1。
1）基本计算数据
建筑结构的安全等级为二级，使用年限为50年。重要性系数为1.0。
屋面恒载标准值 0.50 kN/m2（主体结构及檩条自重由计算程序自动计入）
基本风压 0.30kN/m2（风压高度变化系数为1.25,风振系数为1.1）
基本雪压 0.10kN/m2
建筑所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g、设计地震分组为第一组、场地土类别为III类。阻尼比 。
2）荷载组合
考虑荷载组合对结构的不利影响，将缆索预拉力作为恒载，取以下基本荷载组合（如表1~3所示），其中活荷载和雪荷载取大值计算。实际计算时，考虑到结构只有在结构初始刚度相同时才能满足以下组合，故将荷载效应组合转化为荷载工况。
2.2 缆索初始预拉力的确定
张拉筒壳结构作为一种预应力钢结构体系，结构中所施加的缆索预拉力不仅决定结构的
受力状态，而且决定结构整体的刚度和动力特性，是整个结构刚度的重要来源。因此，确定这种结构体系的预拉力值非常重要。缆索预拉力值的确定必须通过结构的整体有限元分析来完成，并应使结构在各种可能的荷载工况作用下处于良好的受力状态，具有良好的动力特性。
一般情况下确定索的形状问题分为三类：初始几何参量为已知量，预应力分布为未知量；初始几何参量为未知量，预应力分布为已知量；初始几何参量和预应力分布均为未知量。本工程索的几何形状，即高跨比和垂度建筑已经有了明确的要求，接下来只是确定索的预应力分布问题了。
由上分析我们可以看出索的初始预拉力不是一个恒定的值，它同结构的几何形态、筒壳的刚度、荷载状况和吊装条件相关。结构设计阶段索预拉力值确定的原则是：1)在初始状态下（吊装状态），施加预拉力必须保证结构不能有过大的反变形、杆件不能失稳和破坏；2).在荷载状态下缆索不失效，在地震反应下不退出工作，筒壳一侧各不动铰支座的反力值差异不能过大。索的实际预应力一般控制在0.15P~0.4P之间，以防止锚固端松弛不利现象发生。
本项目采用逆迭代法找出可以抵消结构在自重作用下的变形值而使结构保持设计几何尺寸的索的初始预拉力值。分析软件采用MIDAS/GEN V6.9.1，采用非线性计算，考虑索的几何非线性。同时用SAP2000作校核。初选结构杆件截面如表4。
具体方法为：在自重作用下，计算出缆索的拉力值，将此拉力作为索的预应力作用于结构中再计算出缆索的拉力，将此拉力作为索的预应力重新作用于结构中，如此往复计算，找出结构在自重作用下保持设计几何尺寸时索的初始预拉力值。也可将在自重作用的缆索的拉力值作为基准，根据经验调整初始预拉力值，尽快得到索的初始预拉力值。 本项目最终得到的缆索初始预拉力依次为80kN、80kN、110kN、110kN、110kN、110kN、110kN、80kN、80kN。
2.3 结构的内力和变形计算
由于筒壳为空间结构，取任何一部分计算均不具代表性，结构须取整体模型计算。缆索在地震反应下的刚度变化会影响整个结构的安全，因此还须对整个主体结构做地震反应下的弹性动力分析。
在正常使用极限状态荷载组合下，跨中竖向位移考虑l/300的限值，筒壳顶最大水平位移考虑l/500的限值，l为结构跨度。地震反应下的跨中竖向位移限值为l/300，筒壳顶最大水平位移限值为l/400。水平位移均考虑纵、横两方向。
模态振动图示见图3~6。
2.4 杆件及节点设计
按《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001），表4中的杆件截面均满足强度、稳定和变形的指标。
索球铰节点见图7。设计采用通过撑杆加锥头用高强度螺栓同索球连接，传力直接明确，便于施工，但高强度螺栓的要求较高。固定支座加工成钢箱形，同混凝土梁顶预埋件和筒壳支座焊接，见图8。滑动支座选用北京交通大学设计制造的抗震可动钢支座。H型钢节点均采用焊接拼接，见图9，缆索锚具热铸成形。
3. 结论
通过本项目设计分析，得出如下几点体会：
1.张拉筒壳结构作为一种自平衡体系，可动支座对下部结构无水平推力，但结构在水平地震（风）荷载作用下，其水平力完全靠固定支座自平衡。由于组成筒壳的杆件与坐标轴斜交，故无论结构在X或Y向的单向水平力作用下，固定支座的反力都表现为X、Y两向，要避免个别固定支座承受过大的水平力，需要调整缆索的初始预拉力，使每个固定支座均匀受力以达到理想的受力状态。
2.张拉筒壳结构一般跨度较大，屋面自重轻，在基本风压较大的地区，风的吸力有可能导致下部钢索拉力丧失，结构失稳。设计时要尤为注意，必要时需加大结构的自重。
3.为保证竖直（斜）撑杆与上部筒壳和下部索为理想铰接，上部采用轴承式铰，下部采用索球铰。
4.索预拉力不同则结构刚度不同，基于不同结构刚度的荷载效应不符合线性叠加原理。故应进行荷载预组合，转换为荷载组合工况进行分析分析。
参 考 文 献
陆赐麟等. 现代预应力钢结构[M]. 北京：人民交通出版社，2003.
钟善桐. 预应力钢结构[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业出版社，1986.
