【摘要】以某樂園建筑為實際案例，詳細介紹了重荷載下百米大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的選型分析、計算對比及主要設(shè)計過程。在滿足建筑功能要求，結(jié)構(gòu)安全可靠為前提，充分考慮經(jīng)濟型的情況下，對比分析不同鋼結(jié)構(gòu)形式以及支座形式的特性，總結(jié)并選擇較為合適的雙向空間桁架鋼結(jié)構(gòu)形式，為此類建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒參考。

【關(guān)鍵詞】百米大跨度鋼結(jié)構(gòu);空間桁架結(jié)構(gòu);溫度應(yīng)力;抗震性能

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.10.050

引言：

隨著人民生活水平的提高，很多主題游樂園應(yīng)運而生。此類建筑有一些特殊性，即室內(nèi)空間跨度凈高要求較大，而且為滿足建筑裝飾外表皮造型要求，需要在主體結(jié)構(gòu)上附加裝飾造型構(gòu)筑物，由此而產(chǎn)生較重的屋頂荷載，區(qū)別于體育場館或交通樞紐建筑屋頂荷載較輕的特性，對于此類建筑的大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計分析在整個項目設(shè)計中具有關(guān)鍵意義。

1、項目概況及設(shè)計重點

1.1 項目概況

本項目位于江蘇省某市，建筑單體為平面呈矩形，兩方向長度分別為125m和90m。的矩形，，為單層空曠建筑，無地下室，大屋面結(jié)構(gòu)高度為35m，建筑裝飾造型最高高度為63m。大跨度屋蓋的平面接近正方形，長x寬=99mx90m，建筑效果圖見圖1。

1.2 設(shè)計重點

本項目的特點決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計重點在大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)分析，本文主要從以下幾方面展開屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

（1）大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)選型分析。

（2）屋蓋結(jié)構(gòu)支座形式選取及計算。

（3）復(fù)雜節(jié)點應(yīng)力分析。

2、大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)選型

2.1 設(shè)計思路

出于經(jīng)濟性考慮，本項目下部主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，上部屋蓋擬采用鋼結(jié)構(gòu)。由于本項目屋蓋平面達99mx90m，且屬于重屋面荷載，采用較為常用的鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架優(yōu)勢不大，且網(wǎng)架桿件數(shù)量多，高空施工焊接量大。故本項目初步考慮鋼桁架結(jié)構(gòu)，分別對單向平面桁架、雙向平面桁架、雙向空面桁架這三種布置形式，從結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟性、建筑可用性等幾方面進行對比分析，從而選出最適合的方案。針對本項目復(fù)雜情況，為分析全面透徹，采取鋼結(jié)構(gòu)屋蓋和下部主體整體建模計算，分析整體位移、自振周期、支座反力、豎向構(gòu)件軸壓比以及桿件內(nèi)力等。

2.2設(shè)計參數(shù)和荷載

本項目建筑抗震設(shè)防類別：標準設(shè)防（丙類）?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計地震分組第一組。場地特征周期0.35s，場地類別Ⅱ類。抗震等級：下部主體為大跨度單跨框架，混凝土框架抗震能級提高到一級;鋼結(jié)構(gòu)桁架三級。結(jié)構(gòu)阻尼比：0.05（混凝土），0.02（鋼）。

大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計基本由豎向荷載占主導(dǎo)作用，因此豎向荷載的精確計算對結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟性至關(guān)重要。屋面結(jié)構(gòu)自重中，除屋面樓板自重、下部吊掛荷載外，屋頂?shù)慕ㄖ移潞徒ㄖb飾造型也占了相當大的比重。因屋面平面尺寸大且建筑限高，本項目屋面找坡如采用結(jié)構(gòu)找坡，找坡的最高點已超過建筑限高，經(jīng)研究采用多點虹吸排水，降低找坡高度，并采用輕質(zhì)材料以降低找坡自重。

建筑裝飾造型采用輕鋼結(jié)構(gòu)，對高度較高的造型與主體結(jié)構(gòu)整體建模計算。

溫度荷載：有室外保溫結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)合攏基準溫度20度，最大溫差±35度考慮。平坡屋面為風(fēng)吸力，對桁架計算有利，設(shè)計時未考慮風(fēng)荷載有利作用。

2.3 屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)選型

屋蓋鋼桁架分別進行以下結(jié)構(gòu)方案選型對比：方案1-單向平面桁架、方案2-雙向平面桁架、方案3-雙向空間桁架三種結(jié)構(gòu)方案進行對比。

采用YJK計算軟件，為減少對比工作量，在鋼桁架方案對比階段，鋼桁架與下部主體結(jié)構(gòu)均采用固定鉸支座連接，進行不同結(jié)構(gòu)形式的分析計算，在滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)變形和舒適度要求如表1的前提下，初步計算結(jié)果如下：

單向單榀桁架鋼結(jié)構(gòu)：X方向布置單向單榀鋼桁架，跨度99m，共布置五榀，每榀桁架間距15m。計算要求桁架高度9m，弦桿截面：□950x950x50x50。如圖2

雙向單榀桁架鋼結(jié)構(gòu)：X方向布置五榀單榀鋼桁架，跨度99m，每榀桁架間距15m。Y方向布置六榀，跨度90m，間距約14m。計算結(jié)果桁架高度8m，弦桿截面：□800x800x45x45。

雙向空間桁架鋼結(jié)構(gòu)：X方向布置五榀空間鋼桁架，跨度99m，每榀桁架間距15m。Y方向布置六榀空間桁架，跨度90m，間距約14m。結(jié)算結(jié)果空間桁架高7.0m，寬4.0m（桿件中心距離）。支座處采用變截面，變截面桁架最小高度1.8m。

從以上試算結(jié)果，單向單榀桁架受力平均清晰，但是截面高度太大，影響空間凈高，且平面外穩(wěn)定性較差。相較于雙向單榀桁架，從整體受力來看，雙向空間桁架力的傳遞更合理，材料的性能可得到更大程度的利用，此外，空間桁架本身為高次超靜定結(jié)構(gòu)，比雙向單榀桁架穩(wěn)定性更強，通過對比，雙向空間桁架的桁架高度以及用鋼量更占優(yōu)勢。因此，本項目鋼結(jié)構(gòu)屋蓋最終選用雙向空間鋼桁架結(jié)構(gòu)形式。

2.4 雙向空間桁架計算

對空間桁架的桿件截面進行進一步分析計算，以求選擇更加經(jīng)濟合理的桿件。選擇矩形管桁架和圓管桁架作對比。結(jié)構(gòu)布置均為X方向布置五榀空間鋼桁架，跨度99m，每榀桁架間距15m。Y方向布置六榀空間桁架，跨度90m， 間距約14m。結(jié)算結(jié)果空間桁架高7.0m，寬4.0m（桿件中心距離）。支座處采用變截面，變截面桁架最小高度1.8m。布置圖如圖3。

經(jīng)計算，采用矩形鋼管空間桁架屋蓋體系總用鋼量約4600噸，而圓管桁架屋蓋體系總用鋼量約4900噸，兩者相差約6%。兩種截面下，屋蓋中部撓度都在1/400左右，均能滿足規(guī)范要求。用鋼量差距不大。綜合對比優(yōu)缺點如下表1：

兩種截面形式各有利弊，含鋼量差距也不大，本項目考慮工廠生產(chǎn)加工因素，最終選擇矩形鋼管空間桁架結(jié)構(gòu)屋蓋。見圖4

采用YJK和MIDAS GEN計算軟件，主體結(jié)構(gòu)按彈性模型計算，桁架支座形式：一端為鉸支座，另一端為帶阻尼滑動支座，進一步整體計算結(jié)果如下表2、表3。

周期T3/T1=0.724< 0.90，且多遇和罕遇地震下最大層間位移角均滿足規(guī)范要求。

此外，桁架最大豎向位移及撓度分別按標準組合和豎向地震組合進行計算，也滿足規(guī)范要求。見表4

3、桿件內(nèi)力、溫度應(yīng)力及支座分析

本項目在進行桿件內(nèi)力分析時根據(jù)抗震規(guī)范要求，對框架柱、框架梁、桁架關(guān)鍵構(gòu)件分別進行內(nèi)力調(diào)整。

經(jīng)YJK和MIDAS兩種計算軟件計算，構(gòu)件應(yīng)力比、長細比均滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比最大值為桁架下弦桿長細比0.9。

對本項目這種跨度較大的空間桁架鋼結(jié)構(gòu)，溫度影響很明顯，特別是溫差產(chǎn)生的應(yīng)力影響。對于不同約束條件的鋼結(jié)構(gòu)，隨著約束條件的變化，產(chǎn)生的溫度影響也有很大差別。如采用兩端鉸接支座，則無法充分釋放溫度應(yīng)力產(chǎn)生的影響，弦桿中將會產(chǎn)生較大的拉力或是推力，并且對下部混凝土支承結(jié)構(gòu)作用力增大。因此，本項目支座考慮一端鉸接一端滑移形式，支座一端采用帶阻尼的雙向滑移支座，另一端采用固定型球鉸支座。

支座處的桿件，受力復(fù)雜且重要性高，針對此節(jié)點，增加節(jié)點應(yīng)力分析，選用ANSYS計算軟件，最大應(yīng)力295KN/m2。

支座分析模型見圖5，節(jié)點主要桿件內(nèi)力見表5。

結(jié)語：

隨著建筑行業(yè)發(fā)展，越來越多的特殊建筑需要采用大跨度（接近百米）大空間的結(jié)構(gòu)形式。本文通過實際主題樂園項目的典型案例，通過類比、計算、分析，得出以下結(jié)論：

（1）對于大跨度重荷載的鋼結(jié)構(gòu)，采用雙向空間桁架更有利于整體受力、穩(wěn)定性強、經(jīng)濟性合理。

（2）針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)，需充分考慮溫度應(yīng)力影響，并選擇合適的支座形式，一端采用帶阻尼的雙向滑移支座，另一端采用固定型球鉸支座，可釋放一定的溫度變形應(yīng)力及地震力影響，提高結(jié)構(gòu)性能。

（3）對于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)鋼件及節(jié)點計算分析應(yīng)充分，并綜合考慮工廠加工等因素，選擇更優(yōu)結(jié)構(gòu)桿件和節(jié)點形式。

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作者簡介：

鄭建文（1980.06.10），女，江蘇揚州人，同濟大學(xué)畢業(yè)，高級工程師，研究方向：建筑結(jié)構(gòu)。