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摘 要 本文综合分析探讨了现代厂房弧形屋面的管桁架的结构设计。
关键词 厂房屋盖；管桁架；结构设计
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）021-135-01
1 工程概况
空间钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点，不仅满足了大跨度的要求，而且作为一种结构体系，营造了美学与力学的完美结合的设计理念。此类结构形式不仅在现代商业建筑如体育馆、展览馆、会场、航站楼等得到了广泛的应用，而且在现代工业厂房也具有强劲的发展势头。我院于2010年设计的某公司项目是国内技术先进的高科技复合材料企业，其主厂房--复合材料生产厂房屋面采用羽翼造型，像一对张开飞起的翅膀，横向弧坡屋面，屋盖结构采用的就是钢管桁架结构。复合材料生产厂房建筑面积为51857.60 m2，其东西长251.18 m，南北宽为201.18 m，檐口处柱顶标高15.00 m，东西对称，剖面见右图，室内外高差为0.300 m。管桁架屋盖部分为多跨连续排架结构，计32榀。桁架下面为钢筋混凝土柱。
2 管桁架屋盖
复合材料生产厂房的建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数1.0。主体结构设计使用年限50年。抗震设防类别为丙类，抗震没防烈度为7度，抗震等级为三级，基本风压为0.55 kN/m2，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为B类。管桁架跨度为27*3+18 m，两侧悬挑分别为3.75 m和9.75 m，基本柱距9 m，最大柱距10.2 m，根据建筑造型和结构分析管桁架采用等腰倒三角形渐变截面，三角形的基本高度为1.85 m，等腰三角形的上边水平长度为1.30 m，管桁架纵向为多跨连续弧线，20轴处柱顶标高为15.00 m，弧线波峰处高出3.85 m，弧线波谷处低于1.45 m，上下最大高差5.3 m。管桁架上、下弦杆选用较大外径和壁厚的圆钢管，从钢管节点的构造来保证弦杆外径大于腹杆外径，弦杆壁厚大于腹杆壁厚，上下腹杆节点间距均为1.5 m错位布置，与檩条间距相同，钢管材质为Q345B的无缝钢管。弦杆与腹杆以及腹杆轴线问的夹角大于30o，同时在管桁架承受较大横向荷载的支座部位纵向和横向进行了加强。为了保证屋盖的几何稳定性，也为了保证屋盖的刚度和空间整体性，设置了三道上弦水平支撑，水平支撑为十字交叉钢管，十字交叉钢管和系杆均为Φ133x4无缝钢管，桁架梁之间在有混凝土柱处设置通长纵向支撑系统，纵向支撑也采用了三角形管桁架，这样便于与主桁架上下杆连接，同时也起到了主桁架平面外的支撑。
3 管桁架梁的结构计算
结构分析采用同济大学的空间结构设计软件3D3S，9.0版本，同时用SAP2000进行校对和补充计算。根据结构布置特点，假定屋面近似刚度无限大。考虑结构形式为排架结构，故建立模型为两个支撑单位间的构件。屋面恒载取0.40 kN/m2，屋面活载取1.50 kN/m2，（考虑部分吊挂荷载），风荷载转化为集中力参与组合，风压力和吸力分别考虑。荷载组合主要有如下几种：1）1.35恒载+1.40x0.70活载；2）1.20恒载+1.40活载；3）1.20恒载+1.40活载+1.40x0.60风载；4）1.20恒载+1.40x0.70活载+1.40风载；5）1.20恒载+1.20x0.50活载+1.30水平地震；6）1.20恒载+1.20x0.50活载+1.40x0.20风载+1.30水平地震。经过软件的内力分析和构件计算，以HJ-3为例：管桁架的下弦最压力为-550.3 kN，下弦最拉力为466.5 kN，选用Φ194x9 mm无缝钢管；管桁架的上弦最压力为-237.3 kN，下弦最拉力为311.2 kN，选用Φ102x5 mm无缝钢管；支座处腹杆选用Φ70x5 mm，其他腹杆选用Φ50～70x5 mm，上弦水平腹杆选用Φ50x5 mm，桁架梁间的支撑桁架为次要结构，仅传递水平力，杆件内力较小，杆件均选用Φ68x4 mm。圆钢管间采用相贯焊接，这种相贯焊接节点的设计方法比较成熟，本工程主要腹杆与上下弦杆连接均采用KK型，使桁架尽量均匀受力。由于腹管与主管相贯焊接节点的承载力常常起控制作用，所以节点受力要留有一定安全度，局部设置了补强板进行节点补强。相贯线焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。焊缝的质量等级：角焊缝和部分熔透焊缝为二级，支管与支管相贯处一律满焊。当支管与主管的夹角小于90°时，支管端部的相贯焊缝分为A、B、C、D四个区域。其中A、B区采用等强坡口对接焊缝，D区采用角焊缝，焊缝高度为1.5倍支管壁厚，焊缝在C区应平滑过渡。如下图。
Y型节点焊缝位置分区
4 设计的几个问题的探讨
1）风荷载的取值。本工程的屋面大部分符合荷载规范的要求，并参照了一些类似的工程，但局部边缘受力情况比较复杂，尤其外挑部分，按规范取最大风压系数并考虑风振系数。
2）施工安装时的温度。由于屋面的平面尺寸较大，温度差产生应力会对下部结构产生不离队影响，所以结构施工安装时的温度与使用过程中温度尽量一致，我们要求施工安装时的温度在15℃±5℃，结构计算时考虑±10℃的温度差。
3）腹杆的加工。由于桁架每组腹杆的空间位置不同，旋转角度不同。对其相贯线应采用计算机多维空间计算、放样、排料，用六维相贯线数控切割机进行切割加工，以确保腹杆安装在桁架的准确位置。
参考文献
[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[M].
[2]浙江大学建筑工程学院，浙江大学建筑设计研究院编著.空间结构[M].2003.
[3]范重，王春光，尤天直.宁波国际会议展览中心大跨度钢结构设[M].建筑钢结构进展，2005，7（3）：29-40.
[4]邬拮华，何丽波，许国平.客运中心管桁架的结构设计[J].宁波大学学报（理工版），2006，9.
关键词 厂房屋盖；管桁架；结构设计
中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）021-135-01
1 工程概况
空间钢管桁架作为屋盖结构具有很多优点，不仅满足了大跨度的要求，而且作为一种结构体系，营造了美学与力学的完美结合的设计理念。此类结构形式不仅在现代商业建筑如体育馆、展览馆、会场、航站楼等得到了广泛的应用，而且在现代工业厂房也具有强劲的发展势头。我院于2010年设计的某公司项目是国内技术先进的高科技复合材料企业，其主厂房--复合材料生产厂房屋面采用羽翼造型，像一对张开飞起的翅膀，横向弧坡屋面，屋盖结构采用的就是钢管桁架结构。复合材料生产厂房建筑面积为51857.60 m2，其东西长251.18 m，南北宽为201.18 m，檐口处柱顶标高15.00 m，东西对称，剖面见右图，室内外高差为0.300 m。管桁架屋盖部分为多跨连续排架结构，计32榀。桁架下面为钢筋混凝土柱。
2 管桁架屋盖
复合材料生产厂房的建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数1.0。主体结构设计使用年限50年。抗震设防类别为丙类，抗震没防烈度为7度，抗震等级为三级，基本风压为0.55 kN/m2，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为B类。管桁架跨度为27*3+18 m，两侧悬挑分别为3.75 m和9.75 m，基本柱距9 m，最大柱距10.2 m，根据建筑造型和结构分析管桁架采用等腰倒三角形渐变截面，三角形的基本高度为1.85 m，等腰三角形的上边水平长度为1.30 m，管桁架纵向为多跨连续弧线，20轴处柱顶标高为15.00 m，弧线波峰处高出3.85 m，弧线波谷处低于1.45 m，上下最大高差5.3 m。管桁架上、下弦杆选用较大外径和壁厚的圆钢管，从钢管节点的构造来保证弦杆外径大于腹杆外径，弦杆壁厚大于腹杆壁厚，上下腹杆节点间距均为1.5 m错位布置，与檩条间距相同，钢管材质为Q345B的无缝钢管。弦杆与腹杆以及腹杆轴线问的夹角大于30o，同时在管桁架承受较大横向荷载的支座部位纵向和横向进行了加强。为了保证屋盖的几何稳定性，也为了保证屋盖的刚度和空间整体性，设置了三道上弦水平支撑，水平支撑为十字交叉钢管，十字交叉钢管和系杆均为Φ133x4无缝钢管，桁架梁之间在有混凝土柱处设置通长纵向支撑系统，纵向支撑也采用了三角形管桁架，这样便于与主桁架上下杆连接，同时也起到了主桁架平面外的支撑。
3 管桁架梁的结构计算
结构分析采用同济大学的空间结构设计软件3D3S，9.0版本，同时用SAP2000进行校对和补充计算。根据结构布置特点，假定屋面近似刚度无限大。考虑结构形式为排架结构，故建立模型为两个支撑单位间的构件。屋面恒载取0.40 kN/m2，屋面活载取1.50 kN/m2，（考虑部分吊挂荷载），风荷载转化为集中力参与组合，风压力和吸力分别考虑。荷载组合主要有如下几种：1）1.35恒载+1.40x0.70活载；2）1.20恒载+1.40活载；3）1.20恒载+1.40活载+1.40x0.60风载；4）1.20恒载+1.40x0.70活载+1.40风载；5）1.20恒载+1.20x0.50活载+1.30水平地震；6）1.20恒载+1.20x0.50活载+1.40x0.20风载+1.30水平地震。经过软件的内力分析和构件计算，以HJ-3为例：管桁架的下弦最压力为-550.3 kN，下弦最拉力为466.5 kN，选用Φ194x9 mm无缝钢管；管桁架的上弦最压力为-237.3 kN，下弦最拉力为311.2 kN，选用Φ102x5 mm无缝钢管；支座处腹杆选用Φ70x5 mm，其他腹杆选用Φ50～70x5 mm，上弦水平腹杆选用Φ50x5 mm，桁架梁间的支撑桁架为次要结构，仅传递水平力，杆件内力较小，杆件均选用Φ68x4 mm。圆钢管间采用相贯焊接，这种相贯焊接节点的设计方法比较成熟，本工程主要腹杆与上下弦杆连接均采用KK型，使桁架尽量均匀受力。由于腹管与主管相贯焊接节点的承载力常常起控制作用，所以节点受力要留有一定安全度，局部设置了补强板进行节点补强。相贯线焊缝，应沿全周连续焊接并平滑过渡。焊缝的质量等级：角焊缝和部分熔透焊缝为二级，支管与支管相贯处一律满焊。当支管与主管的夹角小于90°时，支管端部的相贯焊缝分为A、B、C、D四个区域。其中A、B区采用等强坡口对接焊缝，D区采用角焊缝，焊缝高度为1.5倍支管壁厚，焊缝在C区应平滑过渡。如下图。
Y型节点焊缝位置分区
4 设计的几个问题的探讨
1）风荷载的取值。本工程的屋面大部分符合荷载规范的要求，并参照了一些类似的工程，但局部边缘受力情况比较复杂，尤其外挑部分，按规范取最大风压系数并考虑风振系数。
2）施工安装时的温度。由于屋面的平面尺寸较大，温度差产生应力会对下部结构产生不离队影响，所以结构施工安装时的温度与使用过程中温度尽量一致，我们要求施工安装时的温度在15℃±5℃，结构计算时考虑±10℃的温度差。
3）腹杆的加工。由于桁架每组腹杆的空间位置不同，旋转角度不同。对其相贯线应采用计算机多维空间计算、放样、排料，用六维相贯线数控切割机进行切割加工，以确保腹杆安装在桁架的准确位置。
参考文献
[1]GB50017-2003.钢结构设计规范[M].
[2]浙江大学建筑工程学院，浙江大学建筑设计研究院编著.空间结构[M].2003.
[3]范重，王春光，尤天直.宁波国际会议展览中心大跨度钢结构设[M].建筑钢结构进展，2005，7（3）：29-40.
[4]邬拮华，何丽波，许国平.客运中心管桁架的结构设计[J].宁波大学学报（理工版），2006，9.