樂(lè)園建筑大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)選型分析

【摘要】以某樂(lè)園建筑為實(shí)際案例，詳細(xì)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(jì)算對(duì)比及主要設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)型的情況下，對(duì)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(jì)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(lè)園應(yīng)運(yùn)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(chǎng)館或交通樞紐建筑屋頂荷載較輕的特性，對(duì)于此類建筑的大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)選型及設(shè)計(jì)分析在整個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中具有關(guān)鍵意義。

1、項(xiàng)目概況及設(shè)計(jì)重點(diǎn)

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于江蘇省某市，建筑單體為平面呈矩形，兩方向長(zhǎng)度分別為125m和90m。的矩形，，為單層空曠建筑，無(wú)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(zhǎng)x寬=99mx90m，建筑效果圖見(jiàn)圖1。

1.2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

本項(xiàng)目的特點(diǎn)決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(kāi)屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：

（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(jì)算。

（3）復(fù)雜節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析。

2、大跨度屋蓋的結(jié)構(gòu)選型

2.1 設(shè)計(jì)思路

出于經(jīng)濟(jì)性考慮，本項(xiàng)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(xiàng)目屋蓋平面達(dá)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(shì)不大，且網(wǎng)架桿件數(shù)量多，高空施工焊接量大。故本項(xiàng)目初步考慮鋼桁架結(jié)構(gòu)，分別對(duì)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(jì)性、建筑可用性等幾方面進(jìn)行對(duì)比分析，從而選出最適合的方案。針對(duì)本項(xiàng)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(jì)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(jì)參數(shù)和荷載

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

大跨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本由豎向荷載占主導(dǎo)作用，因此豎向荷載的精確計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)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(dāng)大的比重。因屋面平面尺寸大且建筑限高，本項(xiàng)目屋面找坡如采用結(jié)構(gòu)找坡，找坡的最高點(diǎn)已超過(guò)建筑限高，經(jīng)研究采用多點(diǎn)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(duì)高度較高的造型與主體結(jié)構(gòu)整體建模計(jì)算。

溫度荷載：有室外保溫結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)合攏基準(zhǔn)溫度20度，最大溫差±35度考慮。平坡屋面為風(fēng)吸力，對(duì)桁架計(jì)算有利，設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行以下結(jié)構(gòu)方案選型對(duì)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(jìn)行對(duì)比。

采用YJK計(jì)算軟件，為減少對(duì)比工作量，在鋼桁架方案對(duì)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(jìn)行不同結(jié)構(gòu)形式的分析計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(lái)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(qiáng)，通過(guò)對(duì)比，雙向空間桁架的桁架高度以及用鋼量更占優(yōu)勢(shì)。因此，本項(xiàng)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(jì)算

對(duì)空間桁架的桿件截面進(jìn)行進(jìn)一步分析計(jì)算，以求選擇更加經(jīng)濟(jì)合理的桿件。選擇矩形管桁架和圓管桁架作對(duì)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(jì)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(duì)比優(yōu)缺點(diǎn)如下表1：

兩種截面形式各有利弊，含鋼量差距也不大，本項(xiàng)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(jiàn)圖4

采用YJK和MIDAS GEN計(jì)算軟件，主體結(jié)構(gòu)按彈性模型計(jì)算，桁架支座形式：一端為鉸支座，另一端為帶阻尼滑動(dòng)支座，進(jìn)一步整體計(jì)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(biāo)準(zhǔn)組合和豎向地震組合進(jìn)行計(jì)算，也滿足規(guī)范要求。見(jiàn)表4

3、桿件內(nèi)力、溫度應(yīng)力及支座分析

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

經(jīng)YJK和MIDAS兩種計(jì)算軟件計(jì)算，構(gòu)件應(yīng)力比、長(zhǎng)細(xì)比均滿足規(guī)范要求，應(yīng)力比最大值為桁架下弦桿長(zhǎng)細(xì)比0.9。

對(duì)本項(xiàng)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(duì)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(wú)法充分釋放溫度應(yīng)力產(chǎn)生的影響，弦桿中將會(huì)產(chǎn)生較大的拉力或是推力，并且對(duì)下部混凝土支承結(jié)構(gòu)作用力增大。因此，本項(xiàng)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(duì)此節(jié)點(diǎn)，增加節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析，選用ANSYS計(jì)算軟件，最大應(yīng)力295KN/m2。

支座分析模型見(jiàn)圖5，節(jié)點(diǎn)主要桿件內(nèi)力見(jiàn)表5。

結(jié)語(yǔ)：

隨著建筑行業(yè)發(fā)展，越來(lái)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(guò)實(shí)際主題樂(lè)園項(xiàng)目的典型案例，通過(guò)類比、計(jì)算、分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)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(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性合理。

（2）針對(duì)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(duì)于復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)鋼件及節(jié)點(diǎn)計(jì)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(diǎn)形式。

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作者簡(jiǎn)介：

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