大跨度现浇钢筋混凝土拱形结构设计中的难点与技巧

摘要：拱形结构拱角的支配固定方案大跨度现浇钢筋混凝土拱形结构设计中的的难点。本文以拱形大门的结构设计为例，讲述了大跨度现浇钢筋混凝土拱形结构设计中的的难点与技巧。

关键词：结构设计、建筑施工、钢筋混凝土、难点与技巧

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

由于现浇普通钢筋混凝土具有抗压强度高、施工方便和价格低等优点，被广泛应用到建筑工程中。但是现浇普通钢筋混凝土的会因为自重过大产生很大的内力，为设计人员带来很多难题，也限制了现浇普通钢筋混凝土的发展。所以在跨度比较大的建筑结构中，一般使用网架或者钢架，就算使用钢筋混凝土结构，也会选择预应力钢筋混凝土结构来减小挠度和自重。在大跨度现浇普通钢筋混凝土拱形结构中，拱形结构拱脚的支配固定方案是一个难点，本文以大跨度现浇普通钢筋混凝土拱形大门为例，分析了侧向稳定性、支座内力和横向尺度等力学特性，找出技巧。

一、工程概况

大门是由位于中央的拱圈还有左右对称的两个传达室组成。拱圈的剖面结构如图所示：

中央拱圈是由六个拱圈组成，每个拱圈的外直径在36.8——40.0mm之间（从内向外逐渐增大），内直径在32.8——36.0mm之间（从内向外逐渐增大），厚度为0.4m，拱圈间净距离是0.7——1.0m，截面高2m，单片拱圈的最大高宽比为50。根据工程勘测报告，发现施工地点的土层是以深厚残积砂质粘性土层为主的，这是花岗岩风化以后的产物，有灰黄色和紫红色花斑，可塑性至硬塑状，进过校正以后，标贯击平均数为16.63击，具有很好的力学强度，但是这种土层崩解不良，承载力特征值为220kPa。

通过研究发现，如果采用PKPM系列软件的线弹性组合结构有限元分析程序PMSAP为主要计算分析软件，则会由于软件的功能完善性和应用时间的问题导致计算结果无法直接链接到基础计算软件JCCAD。应当采用采用结构力学理论分析、拱内力计算公式还有SATWE软件的计算结果与PM— SAP的计算结果进行分析、校核与对比，最后与JCCAD链接进行基础设计。

二、结构设计

1、竖向拱圈的平面外稳定性

竖向载荷有可能导致局部失稳，地震或者风等横向载荷则会造成整体的失稳倾覆，所以竖向拱圈的稳定问题是设计中需要重点解决的问题。在设计中，将六片单独的拱圈片形成一个足有6.8m宽的整体结构，通过设置横向框架梁把各拱圈串起来，框架体的最大高宽比仅仅为2.94，具有很好的稳定性。这种结构可以利用框架作用抗衡横向载荷，横梁设计如图所示：

经过多重验证分析，梁与梁之间的圆心角间隔为10°，把六片单独的拱圈连接起来保持拱圈平面以外的稳定，两个横梁之间的中心距离在3.07m——3.26m之间。在水平面以上5°设置第一根横梁以加强拱脚的刚度，如此，大门的正中心顶部恰好没有横梁。横梁布置位置如图所示：

2、平衡拱脚支座的水平力

支座约束的不同是竖向弧形梁和拱的根本区别。拱的支座是固定端，而竖向弧形梁的支座是铜鼓滑动铰接的。但从理论上讲，如果是倒悬链线，在本身重力的作用下，只产生轴力，无支座弯矩。在本项目中，拱圈只是作为景观存在的，不须要承受自重以外的载荷，但是半圆形的形状就决定了它的拱支座要收到竖向力、水平推力和弯矩。所以，拱脚设置在坚硬岩石上，或者在两拱脚之间设置预应力拉梁或者斜桩，用以承担拱脚水平推力。普通钢筋混凝土结构的自重很大，、受到的拱圈内力和拱脚支座返力都很大，这是设计的难点。

根据这些原因，最后决定使用独立基础并以残积砂质粘性土层为持力层，如此施工难度降低了，还能保证工程质量，由于省去试桩环节，施工周期缩短了，降低了工程造价。在设计中，还对地基承载力的取用值做出了调整，以减小地基的变形和沉降现象的发生。根据地质勘测的结果积砂质粘性土层承载力特征值是220 kPa，在实际中远远低于这个标准，只有180kPa。先通过PMSAP和SATWE空间计算软件计算出各工况支座反力计算独立基础的尺寸并取大值，再确定基础尺寸时尚应注意平面外整体稳定问题，将基础形状设计为接近正方形的长方形，适当加大独立基础的埋深、体积和重量，并且将基础地面倾斜17.7°，全面保证独立基础的稳定性。

三、结构设计的计算结果分析

采用拱内力计算公式、PMSAP软件、SATWE软件，分别计算拱圈跨中弯矩(Mm)、拱脚支座弯矩 (M )、拱脚支座水平推力(F )和拱脚支座竖向轴力(F )，计算结果如下变所示：

加1m柱脚以后，使用SATWE法和PMSAP法的计算结果中，拱圈的跨中弯矩和支座竖向轴力都增大了，不过支座的水平推力和支座弯矩变小。多出了一段直短柱，支座以上的结构自重增大，支座在竖向的轴力也会增大。半圆形拱圈通过直短柱支承在基础上，基础对拱圈根部的约束减弱，肯定会导致跨中弯矩的增大和支座水平推力与支座弯矩的减小。所以，直短柱参与整体分析的计算结果是合理的，而且是必须的。根据SATWE法计算，最大组合工况下的内力和支座反力都比其他计算方面的计算结果大，但由于拱圈的截面较大，所以拱圈配筋并不太大。虽然其基础平面尺寸较大，但如前所述，基础略大、略重，对整体稳定比较有利。

综合上述分析，本项目最后采用SATWE法计算，计算结果确定了构件配筋和进行基础设计是安全、合理和可用的。

四、结束语

现浇普通钢筋混凝土具有抗压强度高、施工方便和价格低等优点，是一种非常好的建筑材料。通过合理的结构设计，克服材料本身的缺点，找出解决结构设计中难点的技巧，对于建筑工程的实施，具有重要意义。

参考文献：

[1]王大庆，毕磊，王春光.唐山国际会展中心超长大跨度预应力结构设计[J].建筑结构.2006.1:314——319.

[2]苏世灼.大跨度现浇钢筋红凝土拱形结构的设计[J].华侨大学学报.2007.4:62——65.

[3]皮秀筠，包彦.大跨度现浇钢筋混凝土变截面球壳结构施工——孟加拉邦戈邦都国际会议中心大会议厅球壳屋面施工与质量管理[J].建筑施工.2001.5:33——37.

[4]张运锋，张松海.浅析工程施工中提高大跨度现浇钢筋混凝土空心楼盖内置GRC箱体楼盖施工质量的控制[J].河南建材.2011.4:135——139.

[5]杨永明.现浇钢筋混凝土空心板的设计[J].科技致富向导.2008.5：26——30.