索拱组合门架结构的设计与分析

索结构典型工程集(上、下册)索结构典型工程集（上、下册）是一本介绍索结构的经典著作，它通过详细的案例分析和理论阐述，全面展示了索结构工程设计的技术和实践。

下面将从两个方面对该书进行分析：一、索结构的基本原理和设计方法1.索结构的定义和特点索结构是一种利用索（绳、索或钢丝绳）进行支撑和连接的结构形式，它具有轻量、高强、易于构建等特点。

索结构的设计理念是最大程度地利用索的拉力和挠度来支撑和分担结构荷载，从而实现结构的稳定和坚固。

2.索结构的设计原则索结构的设计原则包括：合理布置索的位置和方向、合理选择索的直径和材料、合理设计索结构的连接节点等。

在设计索结构时，必须充分考虑结构的受力特点和应力分布规律，确保结构能够承受外部荷载和环境影响。

3.索结构的设计方法索结构的设计方法主要包括静力分析、模型试验和有限元分析。

其中，静力分析是最常用的设计方法，通过计算索的受力和变形情况，确定结构的稳定性和安全性。

模型试验和有限元分析则可以对设计结果进行验证和优化，提高结构的可靠性和经济性。

二、索结构的典型工程案例分析1.迪拜塔迪拜塔是一座采用索结构设计的超高层建筑，其主体结构采用了多层索结构系统，通过合理布置和连接索，实现了整个建筑的平衡和支撑。

迪拜塔的设计不仅考虑了外部荷载和风荷载的影响，还充分利用了索结构的轻量化和高强度特点，最大程度地提高了建筑的安全性和抗震性能。

2.奥运会主体育馆奥运会主体育馆是一座采用索结构设计的大跨度建筑，其屋面结构和观众席采用了多层索结构系统，通过合理的索结构布局和连接方式，实现了建筑的整体稳定和坚固。

奥运会主体育馆的设计充分考虑了大跨度结构的受力特点和应力分布规律，确保了建筑在承受大风和大雪等外部荷载时的安全性和稳定性。

3.索桥索桥是一种采用索结构设计的特大桥梁，其主体结构采用了多层索结构系统，通过合理的索桥梁布置和连接方式，实现了桥梁的整体稳定和承载能力。

索桥的设计充分考虑了大跨度结构的受力特点和索力传递规律，确保了桥梁在承受车流和地震等外部荷载时的安全性和可靠性。

拱结构及其案例分析陈阅2班76号A.拱的定义在梁端加一水平力H，就能改变各截面受力状态；如果H的大小，作用点选得合适，可使梁的各截面处于受压或受弯状态，能提高梁的承载力，这就形成了拱，如图可见，拱结构是有推力的结构。

拱结构的外形一般是抛物线，圆弧或折线，目的是使供体各截面在外荷载、支撑力和推力作用下基本上处于受力或较小偏心受压状态，从而大大提高拱结构的承载力如图拱结构的控制尺寸包括：跨度l、失高f和截面尺寸。

拱结构的适用范围很大，从1.5~2.0m跨度的地下通道顶盖到几十米甚至上百米跨度的体育馆和拱桥。

例如清华大学综合体育中心、东凯尔勃莱德游泳馆等都采用拱结构。

拱结构的支撑形式一般有四种，如下图所示，由图a到图d分别为为：a.拉杆拱，b.落地拱，c.由框架支撑的拱，d.由水平屋盖支撑的拱。

B.拱的受力分析a.如下图所示是拱在集中荷载作用下的受力图简支拱的弯矩M与简支水平梁对应截面的弯矩M0相等。

拱的剪力Q和轴力N 等于简支水平梁对应截面上剪力Q0的两个投影。

即M= M0Q= Q0cosφN=- Q0sinφ式中，φ是拱各点切线的倾角，自水平轴至杆轴切线为逆时针方向时φ为正号。

b.如下图所示是拱在均布荷载作用设拱的轴线为抛物线，其方程为y=4fx(l-x)/l2求出相应的简支水平梁的弯矩和剪力M0=0.5qx(l-x) Q0=q(0.5l-x)因此，拱的内力为M=0.5qx(l-x)Q= q(0.5l-x)cosφN=- q(0.5l-x)sinφ其M图，Q图，N图分别如下图φ计算Q和N时，先要由轴线方程的一阶导数求出tgφ=dy/dx=4f (l-2x)/l2,再由此式求得截面的倾角φ。

C.三绞拱受力分析拱结构中一种比较合理的方式是三绞拱，如图所示内力计算M= M0-Hy，Q= Q0cosφ-HsinφN= -Q0sinφ-Hcosφ其中H=M0C/f ,M0和Q0分别是简支水平梁的弯矩和剪力，φ是拱各点切线的倾角，自水平轴至杆轴切线为逆时针方向时φ为正号。

索结构工程设计实例分析与索结构特点作者：屈明来源：《科技创新导报》 2011年第21期索结构工程设计实例分析与索结构特点屈明（天津市铁道部第三勘察设计院建筑分院天津 300457）摘要：阐述张弦梁结构的基本概念，引用具体实例说明张弦梁结构的设计方法。

其次介绍了索的刚度和索结构的三种受力状态。

关键词：张弦梁结构索结构刚度预应力三种受力状态中图分类号：TV73 文献标识码：A文章编号：1674-098x(2011)07(c)-0000-00大跨度张弦梁结构是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。

结构由刚度较大的抗弯构件(又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架)和高强度的弦(又称柔性构件，通常为索)以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构。

天津站无站台柱雨棚的主体屋架结构就是张弦梁结构,其最大跨度为48.525m。

雨棚分东西两部分，西侧雨棚宽度为147m，长度为213m，纵向设温度缝一道，分为2个温度区段；东侧雨棚宽度为253.5m，长度213m,纵向设温度缝两道,分为3个温度区段。

雨棚纵向共有20榀刚架，榀间距为20m。

每一榀刚架又由五连跨横向5榀张弦梁刚架组成，跨度从南到北分别为48.525m,41.1m,41.95m,41.95m ,39.5m。

刚架的纵向平面外稳定由屋面的支撑系统保证。

刚架梁为张弦梁，柱为圆钢管混凝土柱，规格为。

柱顶标高9.5m,通过四棱锥状的分叉柱与张弦屋架铰接连接，锥角为，锥体高度为3.3m，分叉柱与张弦屋架以销轴形式实现理想铰接。

分叉柱为圆钢管，直接过渡成锥形钢管。

张弦梁屋架中上弦为拱形桁架结构，拱顶标高15.9m.矢高3.1m。

预张力索为低松弛冷拔钢丝束，强度设计值1670，直接充当屋架的下弦，外形是一条下凹的抛物线，垂跨比接近1:30.索与拱形桁架之间通过“V”字状的竖腹杆连接。

拱形桁架弦杆为圆钢管，腹杆为圆钢管。

拱结构及案例分析一拱结构的分析拱结构式是建筑工程中常用的结构之一，是一种主要承受轴向压力并由两端推力维持平衡的曲线或折线构件。

拱结构由拱圈及其支座组成。

支座可做成能承受垂直力、水平推力以及弯矩的支墩；也可用墙、柱或基础承受垂直力而用拉杆承受水平推力。

拱圈主要承受轴向压力，与同跨度的梁相比，弯矩和剪力较小，从而能节省材料、提高刚度、跨越较大空间。

拱的类型，按材料分：土拱、砖石拱、木拱、混凝土拱、钢筋混凝土拱、刚拱等；按拱轴线型分：圆弧拱、抛物线拱、悬链线拱等；按所含铰的数目分：三铰拱、双铰拱、无铰拱等；按拱圈截面形式分：实体拱、箱形拱、桁架拱等。

如下图为拱的分类图：拱结构的受力分析：如上图，当拱承受均布荷载时，主要靠的压力和推力支撑，由Th+chMx=可知，支撑弯矩靠力臂的改变，而力臂的增加靠形态的改变。

因此拱的外形一般是抛物线、圆弧线或折线，目的是使拱体各截面在外荷载、支撑反力和推力作用下基本处在受压或较小偏心受压状态，从而大大提高拱结构的承载力。

当拱自身重力产生的弯矩Mx为0 时，此时称为合理拱轴线（也叫压力线），即截面产生的弯矩为0。

当选择拱轴线时，偏于合理拱轴线以上的为负弯矩，偏于合理拱轴线以下的为正弯矩，与合理拱轴线相交的点的弯矩为0 。

拱结构在设计中最重要的是水平推力的处理。

在实际工程中常用的有以下几种做法：由拉杆承受水平力——优点是结构自身平衡，使基础受力简单；可用作上部结构构件，代替大跨度屋架；由基础承受——施工设计时要注意承受水平推力的基础的做法；由侧面结构物承受——要求此结构必须有足够的抗侧力刚度；由侧面水平构件承受——一般有设置在拱脚处的水平屋盖构件承受，水平推力先由此构件作为刚性水平方向的梁承受，在传递给两端的拉杆或竖向抗侧力结构；此外还应注意当拱承受过大内力时的失稳现象；防止失稳的办法是在拱身两侧加足够的侧向支撑点。

二拱结构的案例分析阿罗丝渡槽如右图，渡槽设设计为一个124ft(37.8m)长，支撑在间隔62ft(18.9m)的支架上，两端伸臂各长31ft(9.45m)的单元。

拱式结构体系在本小节中我们要给大家介绍拱式结构体系的组成、优缺点及适用范围；拱式结构体系的合理布置原则及及受力特点。

在房屋建筑和桥梁工程中，拱是一种十分古老而现代仍在大量应用的结构型式。

它是以受轴向压力为主的结构，这对于混凝土、砖、石等材料是十分适宜的，特别是在没有钢材的年代，它可充分利用这些材料抗压强度高的特点，避免它们抗拉强度低的缺点。

而且能获得较好的经济和建筑效果。

因而很早以前，拱就得到了十分广泛的应用。

在我国，很早就成功地采用了拱式结构。

公元605～616年隋代人在河北赵县建造的单孔石拱桥一安济桥（又称赵州桥），横越交河，跨度37.37m。

它距今近1400年，虽经多次地震，而巍峨挺立，是驰名中外的工程技术与建筑艺术完美结合的杰作。

在古代的西方，建造了许多体型庞大、气魄雄伟的拱式建筑。

在建筑规模、空间组合、建筑技术与建筑艺术等方面都取得了辉煌的成就，并对欧洲与世界建筑产生巨大的影响。

古罗马最著名的穹顶（半圆拱）结构，当推公元前27～14年建造，后因焚毁并于公元120～123年重建的罗马万神庙（图1-29）,其中央内殿为直径43.5m的半圆球形穹顶，穹顶净高距地面也是43.5m。

它是古罗马穹顶技术的最高代表作，也是世界建筑史上最早、最大的大跨结构。

图1-29罗马，万神庙a一剖面图；b一平面图；c一穹顶（半圆拱）结构近、现代的拱式结构应用范围很广，而且型式多种多样。

例如著名的澳大利亚悉尼歌剧院（图1-30，始建于1957年）是大家熟知的建筑，处于深入海中的半岛上。

建筑形象的基本元素一一拱壳，不但是主要的结构构件，而且是一个符号，一种象征，一个母题，它既象“白帆”、“浪花”，又象盛开的巨莲，使人产生丰富的联想。

图1-30澳大利亚悉尼歌剧院一、拱结构的类型及其受力特点拱的类型很多，按结构组成和支承方式，拱可分为三铰拱、两铰拱、和无铰拱三种，如图1-31。

图1-31拱结构计算简图a)三铰拱b）两铰拱c）无铰拱三铰拱为静定结构，两铰拱和无铰拱为超静定结构。

北京工业大学工学硕士学位论文图１－１国家大剧院Ｆｉｇ．１０ｌＮａｔｉｏｎａｌＧｒａｎｄＴｈｅａｍｒ（３）拱形结构拱形结构在承受荷载后除产生竖向力外还要产生横向的推力。

为保持稳定，这种结构必须要有坚实、宽厚的支座。

如图１．２所示的赵州桥。

图ｌ－２赵州桥Ｆｉｇ．１－２ＺｌｍｏｚｈｏｕＢｒｉｄｇｅ１．３．１．２柔性结构（１）悬索结构悬索结构是以一系列受拉的索作为主要受力构件，并将其按一定规律捧列然后组成各种形式的体系后悬挂到相应的支承结构上。

悬索结构是通过索的轴向拉伸来抵抗外荷载作用，它可以最充分地利用材料的强度，大大减轻结构自重，使得其在保证经济性的情况下能够具有较大的跨度．如图ｌ－３所示的英国伦敦千年穹顶。

４第１章绪论图１．３伦敦千年穹项Ｆｉｇ．１－３ＴｈｅＭｉｌｌｅｎｎｉｍｎＤｏｍｅ（２）薄膜结构薄膜结构是对柔性的膜旌加预张力以后形成膜结构，双向受拉的膜是主要受力构件，不同张拉方式得出不同结构形式，有充气式和张拉式两种薄膜结构。

膜材为柔性材料，只能承受拉力，所以膜结构在面外荷载作用下产生的弯、剪力需通过结构的变形而转换成面内拉力。

当结构的初始曲率较小时，面内拉力会很大。

为使膜内应力不过大，结构的形状应保证具有一定的曲率，即膜结构必为曲面形状。

如图１－４所示英国伊甸园。

图ｌ－４英国伊甸园Ｆｉｇ．１－４ＴｈｅＣｉａｒｄａｆｌｔｏｆＥｄｅｎ１．３．１．３杂交结构单一类型的空间结构形式在跨度增大时，其不足之处越来越明显，经济性也显著下降，甚至成为不可能。

正因为如此，由不同类型的结构形式组合而成的杂交结构（ＨｙｂｒｉｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）成为目前大跨空间结构发展和创新的新方向。

杂交结构的最大优点是综合利用了各种不同结构在性能、综合经济指标等方面的优势，５第１章绪论图１．１０中山大学风雨球场索桁架杂交结构Ｆｉｇ．１－１０ＴｈｅＷｅａｔｈｅｒＣｏｕｒｔＣａｂｌｅ－ｔｒｕｓｓＨｙｂｒｉｄＳｔｍｃｔｕｒｅｏｆＺｈｏｎｇｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ图１．１ｌ德国柏林火车索拱结构屋盖Ｆｉｇ．１－１１Ｃａｂｌｅ－ｍ＇ｃｈｒｏｏｆｏｆＢｅｒｌｉｎＲａｉｌｗａｙＳｔａｔｉｏｎ图ｌ－１２伦敦滑铁卢火车站索拱结构屋盖ｒｏｏｆｏｆＷａｔｅｒｌｏｏＲａｉｌｗａｙＳｔａｔｉｏｎ图Ｆｉｇ．１－１２Ｃａｂｌｅ－ａｒｃｈ图３－６矢跨比不同情况下频率—振型关系图Ｆｉｇ．３－６Ｎａｔｕｒａｌｆｉ＇ｅｑｕｅｎｅｙ－ｍｏｄｅｌｓｈａｐｅｍａｐｏｆｔｈｅ３啦ｍｃｔｍ岱由以上结果可以看出，在低阶自振时，三种矢跨比下结构基频分别为１．２９１９、１．４１８５、１．４７４２，呈逐渐增大的趋势，但相差并不大；但是在高阶自振时，三者的矢跨比之间的差距就变大了，而且随着矢跨比的增大，频率越来越小。

一种新型大跨度索-拱结构受力性能研究的开题报告一、研究背景近年来，由于城市化进程的快速发展，人们对于现代交通基础设施建设的需求越来越迫切，大跨度索-拱结构的运用在高速公路、城市轨道交通等领域得到广泛运用。

大跨度索-拱结构是一种集索、拱于一体的钢结构形式，具有跨度大、重量轻、造价低、能进一步节省对净空高度的要求和具有很强抗风荷载和地震力的特点。

目前，国内外对于大跨度索-拱结构的研究较少，仍然缺少全面、系统、深入的研究。

二、研究目的本研究旨在探究大跨度索-拱结构的受力性能，深入探讨其结构形式、荷载响应、疲劳性能等方面，为该领域的发展提供理论依据和技术支撑。

三、研究内容与方法1.结构形式研究：分析大跨度索-拱结构形式的历史发展和应用现状，总结各种结构形式的优缺点。

2.荷载响应研究：建立大跨度索-拱桥荷载响应计算模型，分析各种荷载情况下结构受力性能变化规律，对结构的抗风、抗震能力进行探讨。

3.疲劳性能研究：采用不同的加载工况，考虑疲劳裂纹扩展的过程和损伤累积效应，分析大跨度索-拱桥的疲劳性能，提出相应的抗疲劳措施。

4.结构优化研究：通过上述研究，对大跨度索-拱结构进行优化设计，提高其受力性能和安全性。

四、研究意义1.对于大跨度索-拱结构的研究具有重要现实意义，有利于促进该领域的发展和推广应用。

2.本研究对于完善大跨度索-拱结构的设计标准、提高结构的安全性能和运行效率具有指导意义。

3.本研究可为类似结构的设计提供借鉴和参考。

五、研究进度安排1.前期调研和文献阅读（4周）2.结构形式研究（6周）3.荷载响应研究（12周）4.疲劳性能研究（14周）5.结构优化研究（10周）6.撰写论文（8周）七、预期研究成果1.对大跨度索-拱结构的受力性能进行系统分析和综合评价，为该领域的研究和应用奠定基础。

2.提出相应的抗疲劳和优化措施，为类似结构的设计和建设提供借鉴和参考。

3.发表学术论文2篇以上，参加国内外学术会议并做报告。

索拱结构的动力特性分析摘要：本文在查阅大量文献资料和经典干煤棚工程案例的基础上，针对背景工程的特点，对柱面型大跨度干煤棚工程中的预应力索拱结构进行了动力特性分析。

从而得出了一些比较有科研价值和工程实用意义的结论。

关键词：干煤棚；索拱结构；反应谱分析1.引言改革开放以来，随着我国电力事业的发展，用于封闭或半封闭储煤的大型库房——煤罐、干煤棚等得到了广泛的研究和应用[1]。

预应力索拱结构作为一种新型的杂交屋盖结构形式，即将拉索和钢结构拱架杂交而成。

这种结构充分发挥了拱形结构的受力特点，并充分利用了索材料的高抗拉性能。

这种结构通过对其进行构造上的优化，具有了受力合理，运输方便及安装简单快速的优点。

对于索拱结构的受力性能已有很多学者做了不少研究工作，但主要都集中在其静力性能上，尤其在稳定性方面[2]。

本文针对背景工程，对索拱结构展开了一系列系统研究，重点对背景工程索拱结构进行了动力及抗震性能分析。

1.背景工程简介背景工程为一个两端支座不等高的分析案例，如图1所示。

整个结构的跨度约85.5m，纵向长度105m，一端落在基础上，一端落于混凝土柱上。

图1 背景工程分析案例外形示意图本文根据背景工程分析案例的工艺界面特点，将本文结构下表面的跨向剖面线型设计为三段圆弧相接，并与直线段结合的线型，如图1所示。

本文在结构体系选择和受力性能分析过程中均选用图1所示的结构外形进行分析。

1.索拱结构动力特性分析6.1 分析模型建立本文在基于参数优化分析的基础上，对背景工程索拱结构进行了动力及抗震性能分析，桁架高度取为2.5m，拉索直径取为2000m2，拉索预应力的设置如表3所示。

屋面恒荷载取为0.5kN/m2，本工程结构为不上人屋面，故屋面活荷载取为0.5kN/m2。

计算时按照规范要求考虑重力荷载代表值并按1.0恒+0.5活=0.75kN/m2取值，在进行模态分析前将节点荷载换算为集中质量块。

整个计算模型共包括11榀桁架。