李耀雄

一、工程概況

滬渝高速公路仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓為三層框架結(jié)構(gòu)，屋面為一橢圓形曲面，長(zhǎng)軸方向尺寸為78.4m，最大懸挑長(zhǎng)度為16.7m，短軸方向尺寸為25m，最大懸挑長(zhǎng)度為5.3m；正立面通過(guò)立柱懸挑，立柱高7.65米，懸挑高度3.15m，厚度0.4m，外端懸挑跨度30.5米；屋面與立柱懸挑部分通過(guò)一0.4m厚的雙向曲面“飛躍”相連（如圖1所示）。

圖1 仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓效果圖

二、鋼管桁架的計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)布置方案

整個(gè)鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系可分為以下三部分：（1）屋面桁架結(jié)構(gòu)體系；（2）空間曲面連接桁架結(jié)構(gòu)體系；（3）立柱懸挑桁架結(jié)構(gòu)體系。鋼管桁架整體結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。

圖2 鋼管桁架整體結(jié)構(gòu)布置三維圖

1.計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)的計(jì)算主要采用了同濟(jì)大學(xué)編制的3D3S計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析、截面驗(yàn)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用美國(guó)CSI公司研制開(kāi)發(fā)的通用軟件SAP2000計(jì)算程序進(jìn)行對(duì)比分析。本工程先采用sketchup軟件及Autocad進(jìn)行三維建模，確定主桁架的空間定位，然后通過(guò)主桁架的節(jié)點(diǎn)確定平面外的支撐弦桿位置。桿件之間的連接有鉸支和固支連接兩種，屋頂下部結(jié)構(gòu)以及立柱懸挑桁架側(cè)向支撐均為混凝土結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)布置方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的外形特征，經(jīng)過(guò)多種方案比較，屋面、立柱部分以及連接段均采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，其承重主要由縱橫兩個(gè)方向的平面桁架組成，考慮到平面桁架平面外的穩(wěn)定性，在桁架平面外均設(shè)有支撐弦桿。

（1）屋面桁架

在滿足建筑屋面為橢球面的外形條件下，將橫向桁架的上弦設(shè)計(jì)為圓弧，由于桁架支座距離不大（為8m），為節(jié)省鋼材，在桁架支座之間將下弦設(shè)計(jì)成圓弧，懸挑段然為平段。

（2）空間連接桁架

空間連接桁架為連接屋面與立柱左懸挑端的一造型新穎獨(dú)特的光滑曲面，曲面厚度450mm。該雙向曲面桁架的上下弦均為圓?。聪覘U上每點(diǎn)曲率相同）。

（3）立柱懸挑桁架

在立柱懸挑桁架結(jié)構(gòu)體系中，桁架厚度與空間連接桁架一樣，均為450mm，當(dāng)該整體桁架平面外無(wú)側(cè)向支撐時(shí)，懸挑端頭計(jì)算位移過(guò)大，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，為此，在水平桁架中部設(shè)置鉸接支撐，與主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相連，每隔約2.5m設(shè)置一支撐點(diǎn)，該相連處設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)雨棚。

三、荷載與作用

建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，抗震設(shè)防重要性分類(lèi)為丙類(lèi)建筑?；撅L(fēng)壓為0.5kN/m2，基本雪壓為0.5kN/m2。建筑物場(chǎng)地類(lèi)別為三類(lèi)。

1.恒荷載與活荷載

在計(jì)算模型中，恒載取值時(shí)屋面內(nèi)外側(cè)考慮了裝修荷載、懸挑處吊頂荷載以及焊縫重量對(duì)鋼結(jié)構(gòu)自重的影響。此外，屋面維修活荷載與雪荷載不同時(shí)發(fā)生。

2.溫度荷載

在進(jìn)行鋼管桁架整體計(jì)算時(shí)，將結(jié)構(gòu)主體桁架合攏時(shí)的溫度作為結(jié)構(gòu)的初始溫度（也稱(chēng)安裝標(biāo)準(zhǔn)溫度）。在確定結(jié)構(gòu)的合龍溫度時(shí)，筆者首先考慮了當(dāng)?shù)氐臏囟葰庀髼l件，并應(yīng)使該溫度比較接近年平均氣溫，有利于合龍施工，其次考慮施工進(jìn)度計(jì)劃與可能出現(xiàn)的變化情況，預(yù)留一定的允許溫度偏差范圍。

3.荷載工況組合

荷載組合考慮了非抗震設(shè)計(jì)時(shí)的荷載工況組合以及抗震設(shè)計(jì)時(shí)的荷載工況。桁架體系的活荷載布置考慮了活荷載布置的不利影響，并考慮了風(fēng)向的不同作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

四、構(gòu)件截面設(shè)計(jì)

1.構(gòu)件材料、桁架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程均采用無(wú)縫鋼管，每榀主桁架上弦及下弦主管為連續(xù)管，弦桿與主管鉸接連接，圓鋼管的連接采用相貫節(jié)點(diǎn)連接，相貫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)處焊縫的強(qiáng)度，以及支管的節(jié)點(diǎn)處承載力的驗(yàn)算。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般要求：

（1）上下弦主管應(yīng)連續(xù), 支管端部相貫焊接于主管上，支管端部相貫面切割應(yīng)采用五維或六維相貫線自動(dòng)切割機(jī)切割成帶變化剖口的與主管外表面完全吻合的空間曲線形狀, 直接焊接于主管外壁上。

（2）主管與支管之間的夾角以及支管間的夾角不應(yīng)小于 30°。相貫節(jié)點(diǎn)各桿件的軸心線應(yīng)盡可能交于一點(diǎn), 避免偏心, 如果無(wú)法避免, 當(dāng)偏心距小于主管的直徑的 1/4 時(shí)可不考慮對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力的影響。

（3）支管端部應(yīng)與主管接觸良好, 不得有局部空隙。

2.構(gòu)件的截面選取原則

設(shè)計(jì)綜合考慮結(jié)構(gòu)類(lèi)型、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等多種因素，遵循了以下原則：

從節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的觀點(diǎn)看，應(yīng)優(yōu)先選用管壁較薄的弦桿。

受壓弦管要求具有最大的回轉(zhuǎn)半徑，減小壓桿長(zhǎng)細(xì)比λ，故選用直徑大而壁薄的鋼管，因而弦桿具有較大的出平面外慣性矩，使桁架在平面外具有最大的穩(wěn)定性。

對(duì)于有間隙的節(jié)點(diǎn)，應(yīng)盡量使斜腹桿對(duì)弦桿有最大的寬度比。為此，使弦桿的側(cè)向尺寸保持最小，同樣，其腹桿亦應(yīng)采用直徑大而壁薄、而不采用直徑小而壁厚的鋼管。

按《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，上弦或下弦桿件當(dāng)其內(nèi)力分布較大時(shí)，將會(huì)造成沿受力方向相鄰桿件規(guī)格過(guò)于懸殊，而造成桿件截面剛度的突變，故從構(gòu)造考慮，其受力方向相連續(xù)的桿件截面面積之比不宜超過(guò)1.8倍。

五、構(gòu)件應(yīng)力比限值與優(yōu)化設(shè)計(jì)

在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，在滿足構(gòu)件滿足長(zhǎng)細(xì)比要求的同時(shí)，所有構(gòu)件的控制應(yīng)力比不大于0.8。考慮相貫節(jié)點(diǎn)的不均勻焊接及非節(jié)點(diǎn)荷載的影響，桁架次結(jié)構(gòu)的控制應(yīng)力比在0.5～0.8，主桁架控制應(yīng)力比在0.6～0.8范圍內(nèi)變化。

六、結(jié)論

（1）在仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓鋼管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，在保證建筑外形美觀的前提下，整體桁架結(jié)構(gòu)采用平面管桁架結(jié)構(gòu)體系，鋼管之間直接相貫焊接，使鋼管之間的連接簡(jiǎn)潔明了。屋蓋支座板式橡膠板墊塊，能較好地適應(yīng)輕質(zhì)屋面材料屋蓋結(jié)構(gòu)對(duì)溫度變形的影響。

（2）在空間連接桁架結(jié)構(gòu)體系中，由于該空間曲面為非圓球面，如何縱橫剖切該曲面，使得兩方向的平面桁架的上下弦均為圓上的一段?。淳哂邢嗤剩?，筆者結(jié)合建筑空間曲面的形成原理，建立該曲面的三維坐標(biāo)方程及極坐標(biāo)方程，得出了正確的剖切方向。該剖切方向的確定，解決了空間各節(jié)點(diǎn)的定位、施工圖的繪制以及工廠如何加工安裝該雙向桁架的難題。

（3）在立柱立柱懸挑桁架結(jié)構(gòu)體系中，由于立柱懸挑較大，且向內(nèi)側(cè)傾斜，懸挑端頭計(jì)算位移過(guò)大，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，為此，在水平桁架中部設(shè)置鉸接支撐，與主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相連，該相連處設(shè)計(jì)為鋼結(jié)構(gòu)雨棚，這樣既解決了立柱懸挑桁架的位移與安全問(wèn)題，對(duì)建筑立面也無(wú)影響。