某大跨度空间管桁架结构设计及分析

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齐　煜1　刘　伟1　曹延波1　黄　杰1　万叶青1　陈会强2

(1.机械工业第四设计研究院， 河南洛阳　471039； 2.洛阳正大置业有限公司， 河南洛阳　471039)

摘　要：结合某跨度为54 m的体育馆屋盖，经多种结构方案比选，确定采用空间管桁架结构体系，并用SPASCAD和MIDAS两种软件对该结构体系进行整体分析及比较，并采用MIDAS软件对典型节点进行了有限元分析。结果表明：该空间管桁架结构体系受力合理，满足相关技术标准要求。此外，根据分析结果采取了必要的构造措施。

关键词：大跨度空间管桁架； 典型节点； 有限元分析

1　工程概况

某工程位于河南省洛阳市开发区内，是一座高新技术企业的室内体育馆，底部两层为停车库，三层为室内篮球及羽毛球运动场。建筑物长为70.8 m，宽为 54 m，檐口高度为15.4～24.1 m。下部两层车库柱网为 8.4 m×8.5 m。顶部体育馆柱距8.4 m，跨度为54 m，两端各悬挑出3.5 m。屋面采用空间管桁架结构[1]。体育馆建筑平面见图1，整体效果见图2。

图1　体育馆平面

图2　体育馆效果

2　主体结构形式

结构体系：下部两层车库为钢筋混凝土框架结构，顶层体育馆框架柱为钢筋混凝土结构，屋面采用钢结构，本文主要探讨屋面钢结构的结构形式。

根据本工程屋面大跨度、长悬挑的结构特点，进行了4种结构形式的比较，具体见表1。

结合表1的分析比较，本工程屋面结构最终采用空间管桁架结构体系。此结构形式抗压、抗扭性能好，空间受力稳定，且由于本工程曲线屋面加工容易，建成后视觉效果良好，能够体现美学与力学完美结合的设计理念。

表1　屋面四种结构形式综合比较

结构形式矢高/mm用钢量/(kg\5m-2)施工难易空间美感方案优劣实腹钢梁200045难差劣网架250040易差一般角钢桁架350042较易较差一般空间管桁架350041易好优

图3　屋面桁架平面布置

图4　屋面桁架立面

本工程屋面管桁架平面布置见图3。管桁架采用空间三角形体系，上弦采用两根φ273×12钢管，下弦采用一根φ351×12钢管，下弦圆弧段为18 000 mm,下弦平直段为36 000 mm,桁架跨中矢高为3 500 mm,通过上、下弦双圆弧线逐渐减小至端部1 500 mm的矢高。桁架立面图及空间效果见图4、图5。

图5　屋面桁架空间效果

3　结构计算

3.1　计算参数的选取

地震作用参数：根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，本工程建设场地抗震设防烈度为7度，设计基本加速度值为0.10g[2]，g为重力加速度。建筑场地类别Ⅱ类，场地特征周期0.4 s。

屋面恒荷载为0.6 kN/m2；屋面活荷载为0.6 kN/m2。

风荷载：根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》,本工程建设场地基本风压为0.40 kN/m2(50年一遇)，地面粗糙度类别为A类[3]，基本雪压为0.35 kN/m2(50年一遇)。

温度效应：设安装时平均温度为15 ℃，考虑升温工况温差为30 ℃，降温工况温差为-30 ℃。

3.2　结构整体弹性分析计算

结构整体分析主要采用SPASCAD和MIDAS两个软件进行分析比较[4-5]。

本工程抗震设防类别为标准设防类，抗震设防等级为三级。计算时下部基座混凝土楼板考虑为刚性楼板，上部钢结构屋面考虑为弹性模型[6]。计算时考虑偶然偏心和双向及竖向地震作用。整体结构计算模型见图6。

图6　整体结构计算模型

为保持桁架的整体稳定，桁架上、下弦均设置隔震支座，支座选用氯丁胶橡胶弹性支座。橡胶支座长、宽均为450 mm，厚度为50 mm,中间夹4层3 mm厚钢板。橡胶支座的弹性刚度按照JGJ 7—2010《空间网格结构技术规程》[7]计算，竖向刚度Kz=1 018 547 N/mm；水平刚度Kn=Ks=6 366 N/mm。

因本工程上、下部分材料不同，抗震计算的阻尼比也有差异，桁架计算分析时计算了3种模型：1)单榀桁架计算；2)上部钢桁架(加上支撑和檩条)整体计算；3)下部混凝土框架与上部钢桁架整体建模计算。设计采用3种模型的最不利包络结果。

因下部基座混凝土部分较为规则，3种模型桁架计算结果较为接近。本文仅取第1种上部钢桁架单榀模型SPASCAD和MADIS软件的计算分析结果进行比较，见表2。

表2　两种软件上部钢结构计算结果对比

软件最大挠度/mm最大应力比最大支座反力/kN上弦杆下弦杆竖向水平SPASCAD790.800.8032220MADIS800.780.7234022

从上述结果可以看出：两种计算软件的分析结果比较接近，最大挠度及应力比都满足GB 50017—2003《钢结构设计规范》要求。考虑到此桁架形状为空间圆弧折线型，其在加工热弯及相贯焊接时，钢管的壁厚均有一定的削弱，因此在设计时安全度上进行了适当放宽。

4　典型节点有限元分析

本工程管桁架采用相贯节点，其中支座节点和下弦节点连接杆件较多，受力复杂，采用MIDAS软件进行了节点细部分析。图7和图8为选取的作用力较大的典型支座节点和下弦节点(靠近支座)有限元分析结果,钢材强度等级为Q235B，支座节点的单元最大等效应力[8]约为99.4 MPa，下弦节点的单元最大等效应力约为168.3 MPa，均小于设计强度215 MPa，符合设计要求。

图7　支座节点应力云图　MPa

图8　下弦节点应力云图　MPa

5　桁架整体构造措施

为保证桁架能够同下部混凝土框架整体受力，桁架竖向及水平力能够有效传递至下部，本工程设计时采取了以下构造措施：

1)屋面采用连续檩条设计，保证檩条与桁架可靠连接，且在屋面的两端跨檩条改为焊接H型钢。以确保桁架屋面的整体性。

2)在柱顶位置桁架平面内设置了2 725 mm宽的水平支撑带，此支撑同端跨的H型钢檩条形成了一封闭外框，可加大屋面整体刚度，减少扭转。

3)在柱顶纵向桁架支座平面内设置竖向支撑，保证桁架平面外水平力的有效传递。竖向支撑布置见图9。

图9　桁架支座竖向支撑立面

6　结束语

本工程桁架体型较为复杂，管径较大，设计时通过对典型节点的有限元分析，验证了相贯节点处的应力分布情况，避免局部应力集中情况的出现。

设计时除进行各种必须的计算分析外，加强必要的构造设计也非常重要，构造措施能够保证结构的整体性及稳定性，这样结构的工作状态和性能才能达到预期性能目标和相关结构设计标准的各项要求。

参考文献

[1]　王秀丽. 大跨度空间钢结构分析与概念设计[M]. 北京:机械工业出版社,2008.

[2]　GB 50011—2010　建筑抗震设计规范[S].

[3]　GB 50009—2012　建筑结构荷载规范[S].

[4]　杨俭，杨平，万叶青. 新飞销售大楼结构设计[J]. 建筑结构, 2009,39(增刊): 327-330.

[5]　赵广名，刘子龙，齐煜，等. 大型雕塑结构设计实例分析[J]. 钢结构，2012,27(158):32-62.

[6]　齐煜，万叶青.凯旋门式复杂高层连体的结构设计实例[J].建筑结构，2006，36(增刊):53-55.

[7]　JGJ 7—2010　空间网格结构技术规程[S].

[8]　曹延波，黄杰，毛军棚，等. 青海坎布拉大佛工程关键节点有限元分析[J]. 钢结构，2015,30(8):67-72.

STRUCTURAL DESIGN AND ANALYSIS OF A LONG-SPAN SPATIAL PIPE TRUSSQi Yu1　Liu Wei1　Cao Yanbo1　Huang Jie1　Wan Yeqing1　Chen Huiqiang2

(1.SCIVIC Engineering Corporation， Luoyang 471039， China； 2.China Tai Land Development in Luoyang, Luayang 471039, China)

ABSTRACT：Based on the comparison of schemes for steel roof of a gymnasium with the span of 54m, the spatial pipe truss system was adopted. The integral analysis and comparison of integral system were conducted by SPASCAD and MIDAS. Meanwhile, the typical joint performance was analyzed by MIDAS. The results showed that the spatial pipe truss system had good bearing performance and met the code requirements. In addition, the structural measures were improved according to the results.

KEY WORDS：long-span spatial pipe truss; typical joints; FEM analysis

DOI:10.13206/j.gjg201603015

收稿日期：2015-10-20

第一作者：齐煜，男，1970年出生，教授级高级工程师。

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