第 38 卷第 2 期 建筑结构 2008 年 2 月
苏州高等教育园预应力拉索拱结构设计与分析
毛小勇顾强于安林唐兴荣何若全高晓莹
(苏州科技学院土木工程系 215011 )
[提要] 苏州高等教育园主入口钢结构预应力拉索拱是教育园的标志性建筑。结构建筑造型复杂，体量较
大，结构采用了空间管衍架形式 O 讨论了结构计算和设计中的主要问题，包括杆件设计、节点设计和抗震分析
等 O 分析结果表明，此类管析了架结构按和架模型和刚架模型计算结果整体上差别不大，但局部杆件可能需要
考虑次弯矩的不利影响;预应力的大小影响拉索拱的模态和自振周期;拉索预应力的取值要综合考虑结构的
整体反应、变形要求和经济性等因素。
[关键词] 拉索拱管析了架结构设计抗震分析
Design and Analysis of Prestressed Steel Arch of Suzhou Higher Education TownlMωXiaoyong ， Gu Qiang , Yu Anlin ,
Tang Xingrong , He Ruoquan , Gao Xiaoying (Department of Civil Engineering , Suzhou Institute of Technology , Suzhou
215011 , China)
Abstract: The prestressed steel arch of Suzhou Higher Education Town is a symbolic structure located at the gate of the town.
The whole structure is large and complicated according to the conceptual design of architecture , and space-tube-truss structure
was used. Main problems of analysis and design including member and joint design and seismic behavior etc. have been
introduced. From analytical results , it is found that there is little difference between the result of truss model and beam model
except discrete structure members. Prestress effected the basic natural vibration period and modal of the structure. During
determining the initial prestress of the steel cable , such matters as the whole response of the structure , the deformation limit
and economical efficiency etc. must be considered.
Keywords: arch with steel prestressed cables; space tube truss structure; structure design; seismic analysis
1 工程概况
苏州高等教育园主入口大型预应力钢结构拉索拱
是教育园的标志性建筑，整个结构由上大下小的两个
拱组成(图1):大拱高 ( 与地面的垂直距离) ,
跨度 51m，轴线呈椭圆形，与地面成 730 角;小拱高
，跨度 ，轴线亦呈椭圆形，与地面成 48。角
(图 2)0 两拱通过 50 根预应力拉索连接成为整体。大
拱和小拱垂直放置时其内外两条轮廓线为不同心的椭
圆，结构的主要尺寸和两拱的椭圆方程见图 3 ， 4 。
2 结构选型与轩件布置
考虑到结构体形复杂，空间变化较大，因而采用了
图 I 钢结构拉索拱照片
街架拱正视图 精架拱侧视图
图 2 拉索拱几何尺寸
便于加工的管楠架形式。大、小拱的截面均为梯形，并
从底部向顶部逐渐变大。大拱截面由八根弦杆组成，
小拱截面由六根弦杆组成，弦杆在空间上随轴线呈椭
圆形变化。拱截面杆件布置见图 3。由于拱截面变化
复杂，根据内力变化情况，选用了较多类型的杆件截
面 O 弦杆规格: 299 x 45 ,299 x 36 ,299 x 25 , 299 x 20 ,299
x 16 , 299 x 12 等 6 种 O 腹杆规格: 273 x 32 , 259 x 14 ,
219 x 36 ,219 x 12 , 194 x 10 , 180 x 12 , 180 x 5 , 168 x 4 , 159
x6 , 152 x 10 , 152 x 4 , 127 x 4 , 95 x 4 , 83 x 4 等 14 种。
杆件材料为 Q345B 。
29
言
喃喃国同
唱唱国-
血旦旦f
l9∞ L 1800 L 9∞ L 大拱拱脚截面
大拱拱顶截面
自j
200且叫J200
且皿;r小拱拱脚截面
小拱拱顶截面
图 3 拱截面杆件
3 结构分析
设计荷载
重力荷载包括管柏架重量，索的重量，涂层重量和
吊挂灯具重量等。材料密度采用7 850kg/m3 ，重力加速
度 重力荷载由程序自动计算，通过适当放大
杆件的自重来考虑吊挂灯具等自重荷载 O
以 20"<:: 为基准温度，考虑升温和降温各 30"<:: ，计
算幅度应力。
基本风压为 0 .45kN/m2 (按 50 年一遇) 0 风载体型
系数、高度修正系数和风振系数见表 10 其中，风压高
度变化系数按 B 类粗糙度确定，风振系数根据模态分
析结果得到的第一周期确定 O 其中 μs 的取值参照架
空管道的体型系数，总值取 ，迎风面分配 ，背风
电 I i φfφ
@
oo--v
胃
。omm
同
48400
(a) 大拱
面分配 0 计算时将和架分为不同的高度段，每段分
别计算出总的风荷载，再分布到该区段对应的节点上 O
荷载组合
对上述荷载，主要考虑以下几种荷载组合(均包含
预应力的效应 )[IJ : 1) l. 2 自重+ 1. 4 风(大拱→小拱) ;
2) l. 2 自重+ l. 4 风(小拱→大拱) ;3) l. 2 自重+ 1. 4 风
(大拱→小拱) +升温 30"<:: ; 4 ) l. 2 自重+ l. 4 风(大拱
→小拱) +降温 30"<:: ; 5) l. 2 自重+ 1. 4 风(小拱→大
拱) +升温 30"<:: ;6) 1. 2 自重+ l. 4 风(小拱→大拱) +
降温 30"<:: ;7tl .35 自重+ x [ 风(大拱→小拱) +
升温 30"<:: ] ;8) l. 35 自重+ 1. 4 x [ 风(大拱→小拱)
+降温 30"<:: ] ; 9) l. 35 自重+ x [ 风(小拱→大
拱) +升温 30"<:: J; 10) l. 35 自重+ 1. 4 x [ 风(小拱→
大拱) +降温 30"<:: ]。
凤荷载计算表格 表 1
高度 (m) Wo p., ( + ) μ ，( -) μz 卢
10 0 .45 - 1. 00 1. 1494
20 0 .45 - 1. 03
30 一 1. 22
40 1. 31 6
50 - 5
内力计算
采用 程序对拉索拱结构的内力进行分
析。其中杆件采用 Link8 单元模拟，预应力拉索采用
LinklO单元模拟。计算时，拉索的预应力需转换成对
应的初始应变输入。杆件的初选和调整均通过杆单元
模型进行 O
考虑到有些杆件较粗、短，同时为了保证结构几何
不变在柱脚处为刚接，某些杆件可能存在着较大的次
弯矩作用，因此对按柏架模型计算并确定好截面后的
结构采用 Pipe16 单元进行了校核( Pipe16 单元可考虑
qAFI/ ⑨
川 /ρ
/启
@
咱-@
(b) 小拱
注:圈中杆件编号是与标注线相交的第1和第5根
杆件(从外向里}的编号.
30
图 4 拱杆件布置
杆件的轴力、弯矩和扭矩作用 [2] ) ，结果表明:按衍架模
型选取的杆件基本是满足要求的;与刚接模型相比，柏
架模型计算的位移偏大→些(最大相差 6%) ;刚接模
型中弯矩所占的比例也不大。主要是由于杆件长细比
较大，杆件受到的约束也较小的缘故。根据刚接模型
的计算结果，对个别杆件的截面进行了适当调整。
内力分析表明，占主导的荷载是自重和风荷载，温
度荷载影响较小。
地震作用验算
考虑到结构的重要性，按 7 度设防烈度进行地震
作用验算 [3] 。采用振型分解反应谱法进行分析，取结
构的前 5 阶振型。场地土特征周期 0 .45s，加速度峰值
。
结构的模态分析采用于空间叠代沽，分析考虑了
预应力的影响，即采用的是考虑预应力效应的模态分
析结果。图 5 为结构的前 5 阶振型。由图可见:一阶
振型为两拱整体的弯曲变形;二阶振型是大拱为主的
变形 O 当拱受到来自大拱方向的风荷载作用时，由于
大拱受到的风荷载大，且刚度相对小拱要小，有向小拱
靠近的趋势，拉索的预应力得到一定程度的释放，大拱
产生一定的回弹变形，与风荷载变形部分抵消。解决了
大拱迎风时面外变形较大的问题，减小了索的挠度;当
拱受到来自小拱方向的风荷载作用时，大拱变形比小拱
变形大，此时小拱通过拉索约束了大拱的面外变形 O
同时拉索的预应力必须合理取值:如果拉索的预
应力太小，一方面不能将两拱有效地结合起来，更重要
的是索会产生较大的挠度，不仅影响外观，还有可能产
生风振现象;如果拉索的预应力太大，会对拱产生过大
的反向荷载作用，从而增加结构的用钢量 O
拉索采用 1 x 19 (归)
低松弛钢绞线。由于每根
索的长度均不同，同样预
应力作用下其挠度大小也
不相同，所以每根索的预
扭转变形;三阶振型为两拱的相对扭转变形;四阶振型 应力取值也将有所差别;
为小拱为主的扭转变形;五阶振型为拱的高阶弯曲变 同时每根索的预应力还要
图 6 拉索受力示意图
形。 T1 - T5 分别为 : ， ， ， ， o
<e) -阶握盟 (bl 二阶撮盟 (e) _'-:'阶摄型
(d) I!Y阶挺型 (e) li酣报型
图 5 结构前 5 阶振型图
模态合并采用 SRSS 法。仅考虑水平地震作用，对
应的荷载效应组合有:自重+水平地震作用+升温
30 'C ;自重+水平地震作用+降温 30't:。分析结果表
明:地震荷载不占主导作用;预应力增大，结构的自振
周期变小，因为预应力增大提高了结构的整体刚度。
拉索预应力取值
拉索将大小两个拱连接起来，可有效平衡其重力
荷载。虽然大小拱的重量不等，但通过倾角的调整，两
者的倾覆力矩相差不大。受风荷载作用时，拉索的作
用可通过图 6 说明:因拱的面外刚度不大，特别是直径
较大的大拱面外刚度更小，在风载作用下将会产生较
大的变形。拉索施加预应力后，将迫使两拱产生面外
受到其他索及结构变形的影响 O 综合考虑上述因素，
经过反复试算，最终确定了拉索的预应力值，如表 2 所
示(由于两边的拉索对称，表中给出了由下向上-半，
即 25 根拉索的预应力)。
拉索预应力取值(kN) 表 2
章号
顶应力
索号
预应力
4 节点设计与构造
管楠架采用相贯节点 O 对圆铜管相贯节点承载力
的计算，各国规范的公式形式上比较接近，但对公式中
的系数取值有些不同。相比而言，我国规范的节点承
载力计算公式偏于安全。由于拱节点上连接的杆件众
多(最多达 11 根) ，每根杆件受力大小不同，考虑受力
较大的杆件主要集中在两个成一定角度的平面内(角
度是变化的) ，采用如下的简化计算方法:不考虑受力
较小杆件的作用，将节点简化成空间 KK 型或 11 型;考
虑杆受力的不利因素，将承载力折减系数取 [4] 。
例如图 7 所示的一个节点(杆件 198 ， 199 为弦杆，
其余为腹杆) ，杆件内力见表3。忽略较小内力杆件后
杆件号
内力
杆件内力 (kN) 表 3
809
(下转第 46 页)
31
上层网壳杆件截商类型 表 3
截面 4截面编号
纬杆、肋杆
斜杆
1> 140 x 6
1> 146 x 5
的四种截面类型，如表 3 所示。
给出了四种不同的上层网壳杆件截面对结构挠度
和内力的影响情况(图 7) 。由图可知，上层网壳杆件
截面增大，结构的变形减小，而对结构的环索拉力、撑
杆压力影响都不大。
-4 500 ←一-·J//57 490
E +-1<w: m M
iz|-豆7
工T玉器二三~ 430
-24 390
2 4 2 4
截面编号 截面编号
(a)结构最大位移 (b)最大环索拉应力
-62
-64 -50
f/ 乡王:在==.=.:::;;;;;;--1 -55 +工况况况一-0-工二 3喝理 4 7 5 72 -+-工三国哥 -76
'‘-_&_-,‘--& -85
-80
-95
2 3 4 2 3 4
截面编号 截面编号
(0)撑杆最大压应力 (d)上层网索纬杆最大压应力
图 7 上层网壳杆件截面对结构挠度和内力的影响
(上接第 31 页)
可简化为一个空间 TI 型节点，即可按上述方法计算。
图 7 节点 A 简化示意图
大挟囊端锚回 小棋囊端锚固
图 8 拉索节点构造
46
3 结论
(1)矢跨比对结构挠度、受力影响较大(环索拉力、
撑杆压力、上层网壳杆件压力)。建议在上层网壳杆件
压力满足结构要求的前提下，矢跨比选用1/8 ， 1/6 0
(2)撑杆高度对结构挠度、索拉力影响不大，但对
结构撑杆压力和上层网壳影响较大。综合考虑各种因
素，建议撑杆高度选用 ，
(3)环索数对结构挠度影响不大，对结构受力几乎
没有影响，只是上层网壳受力随着环索数的变化稍微
有一些变化。采用四环索布置时，上层网壳纬杆压应
力最小 O 综合考虑各种因素，建议选用四环索布置。
(4)拉索的预应力大小对结构的影响很大，为了防
止拉索的松弛、结构受力合理、杆件内力值较小，建议
结构拉索的预应力在 200 - 300MPa 之间，可以适当调
整，取对结构最有利的初始预应力。
参考文献
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结构， 2∞3.
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出版社，2ω4
[6J 沈世钊，陈昕.网壳结构稳定性[MJ 北京:科学出版社， 1999.
对拉索和拱的连接节点，由于拉索的角度随节点
位置不断变化，因此每个节点需单独设置不同大小和
方向的节点板，其构造如图 8 所示 O
5 结语
(1)总体上看，对类似文中的管和架结构，按柿架
模型和刚架模型计算结果差别不大;但局部杆件可能
需要考虑次弯矩的不利影响。
(2)预应力的大小影响拉索拱的模态和自振周期。
(3)拉索预应力需要在综合考虑结构的整体反应、
变形要求和经济性的基础上合理取值。
参考文献
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