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摘要：本文详细介绍了某会展中心登入大厅的结构设计过程（包括结构的选型、荷载的取值以及荷载工况的组合）。利用3D3S软件与ETABS软件对空间管桁架模型进行分析设计，在满足结构的承载力极限状态与正常使用状态的设计要求下，得出合理的结构布置与截面尺寸，设计方法可供同类工程参考。
关键词：钢结构，空间管桁架，大跨度钢结构
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
1结构形式
本工程要求外观简洁大方，跨度大（主跨65m），平面布置规则。主体结构设计主要基于下述考虑：保证建筑的内部空间效果；屋盖的结构选型与建筑形态协调统一；结构构件的视觉阻碍小，以确保登入大厅内部的视线通透；屋盖结构应尽可能轻盈化，以摆脱传统屋盖的厚重感。 球节点网架的应用虽然较为成熟,但本工程如采用,即便是抽空部分腹杆,仍然不被建筑师所接受,特别是工程屋盖结构为单向受力,网架不能充分发挥其空间作用而被排除。
基于上述考虑，该登入大厅屋盖采用了圆管空间桁架结构体系作为屋面的承重结构。圆管由于它的良好性能，在欧美、日本等国家已广泛应用于承重结构，如体育馆、展览大厅、会议中心等屋盖。其优点主要表现在以下几个方面： （1）钢管受力性能（如抗压、抗弯、抗扭性能）好，其截面回转半径等几何特性均比等截面积的、其它型钢组合截面等构件的大，可减轻结构自重。
（2）由于钢管桁架构件间可采用直接焊接的相贯节点，省掉了连接件，从而节约钢材20%~30%，同时也可以避免角钢与垫板电焊不当对杆件造成的损伤。 （3）在承载力相同的情况下，管截面的表面积较开口截面的表面积小，从而减少了防火、防腐涂层的面积及其费用。
2. 结构主体布置
整个屋盖由六榀主管桁架等间距布置而成。其主桁架跨度为65m，呈倒立的等腰三角形，截面最大高度4.9m，最小高度2.07m。主桁架中心间距为18m设置四道联系桁架，采用空间相贯焊接接点连接。每榀主桁架都支承在钢管混凝土柱上，钢管混凝土柱之间采用钢梁连接。该结构的整体布置图如图1所示。
图1 登入大厅三维模型图
3. 结构静力分析
3.1设计荷载取值及工况组合 设计荷载是结构分析的重要依据，取值的合理准确将直接影响结构的安全性和经济性。本工程设计荷载有永久荷载如结构自重、屋面覆盖结构重、吊顶材料及设备重等；可变荷载有屋面活荷载、雪荷载、风荷载等；以及地震作用和温度作用。 3.2 荷载标准值 （1）永久荷载：所有杆件自重由计算程序自动导算，主桁架上弦轻型屋面板自重、檩条自重折合成8.1KN/m线性荷载。此外，主桁架下弦接点考虑99KN的吊挂荷载。
（2）屋面活荷载：0.5 KN/m2，折合成4.5KN/m线性荷载。
（3）风荷载：0.6 KN/m2（基本风压）。折合成5.1KN/m线性荷载。 （4）地震作用：本工程抗震设防烈度为7度0.15g（第一组），特征周期为0.45s。
（5）温度作用：考虑到本地季节性温差，计算温度荷载取-30~+30°温差(结构施工安装时的温度与使用过程中温差的最大差值)。 3.3 荷载工况组合 在荷载工况组合时考虑了以上所列各项荷载标准值。根据结构的承载力极限状态与正常使用状态的设计要求，计算时共采用了22种荷载组合(见表1)。其中同一行的2种组合即分别为升温、降温的情况，温度荷载组合系数取1.0。
表1 荷载工况组合表
4结构分析结果
结构分析采用同济大学编制的钢结构计算软件3D3S9.0进行设计分析，并用通用结构计算软件ETABS校核。按照前述荷载取值及工况组合，对主体结构进行空间整体分析。进行分析时按照动力参与系数应超过90%的原则，计算前30阶振型，结构基本自振周期为2.02sec，前4阶振型如图3所示。表2与表3分别给出了3D3S软件与ETABS软件计算的前六振型自振周期及振动类型。从中可以看出，结构第一及第二振型均是对抗震有利的平动振型,结构整体性好,体系合理。
第1阶振型t=2.02290s 第2阶振型t=1.85500s
第3阶振型t=1.78183s 第4阶振型t=1.77473s
图2登入大厅前四阶振型图
表23D3S计算结构自振周期与振型类型
表3ETABS计算结构自振周期与振型类型
考虑到工程本身的重要性，主要构件的应力比控制在0.75以下。通过分析对结构各杆件截面进行优化，本工程主体总用钢量约454t,单位面积用钢量80Kg/m2。主桁架下弦、腹杆局部杆件采用了不同直径和厚度的截面规格，以对受力较大区域进行加强。
最后选定的结构杆件为：
主桁架：上弦杆Φ450X20、下弦杆Φ465X28（Φ450X20）、腹杆Φ351X14（Φ245X7、Φ219X8）；
次桁架：上弦杆Φ325X8、下弦杆Φ351X8、腹杆Φ168X5.5。
由于六榀主管桁架邊界条件完全相同，因此屋盖最大竖向位移发生在每榀主管桁架中心处，其最大竖向位移-53mm，为跨度的1／1226。
5结语
某会展中心登入大厅钢结构采用了直接相贯焊接的空间管桁架结构形式，通过3D3S软件设计并用ETABS软件校合分析表明，空间管桁架结构用于具有较大跨度的公共建筑中，经过合理的结构设计，可充分发挥其优异的结构性能，用钢量小，实现经济和美观的统一。
参 考 文 献
[1] 钢结构设计规范（GB50017-2003），中国计划出版社，2003 [2] 建筑结构荷载规范（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2006 [3] 新型空间结构分析、设计与施工，人民交通出版社，2008 [4] 钢结构连接节点设计手册，中国建筑工业出版社，2008
廖红伟，天津市建筑设计院，工程师
关键词：钢结构，空间管桁架，大跨度钢结构
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：
1结构形式
本工程要求外观简洁大方，跨度大（主跨65m），平面布置规则。主体结构设计主要基于下述考虑：保证建筑的内部空间效果；屋盖的结构选型与建筑形态协调统一；结构构件的视觉阻碍小，以确保登入大厅内部的视线通透；屋盖结构应尽可能轻盈化，以摆脱传统屋盖的厚重感。 球节点网架的应用虽然较为成熟,但本工程如采用,即便是抽空部分腹杆,仍然不被建筑师所接受,特别是工程屋盖结构为单向受力,网架不能充分发挥其空间作用而被排除。
基于上述考虑，该登入大厅屋盖采用了圆管空间桁架结构体系作为屋面的承重结构。圆管由于它的良好性能，在欧美、日本等国家已广泛应用于承重结构，如体育馆、展览大厅、会议中心等屋盖。其优点主要表现在以下几个方面： （1）钢管受力性能（如抗压、抗弯、抗扭性能）好，其截面回转半径等几何特性均比等截面积的、其它型钢组合截面等构件的大，可减轻结构自重。
（2）由于钢管桁架构件间可采用直接焊接的相贯节点，省掉了连接件，从而节约钢材20%~30%，同时也可以避免角钢与垫板电焊不当对杆件造成的损伤。 （3）在承载力相同的情况下，管截面的表面积较开口截面的表面积小，从而减少了防火、防腐涂层的面积及其费用。
2. 结构主体布置
整个屋盖由六榀主管桁架等间距布置而成。其主桁架跨度为65m，呈倒立的等腰三角形，截面最大高度4.9m，最小高度2.07m。主桁架中心间距为18m设置四道联系桁架，采用空间相贯焊接接点连接。每榀主桁架都支承在钢管混凝土柱上，钢管混凝土柱之间采用钢梁连接。该结构的整体布置图如图1所示。
图1 登入大厅三维模型图
3. 结构静力分析
3.1设计荷载取值及工况组合 设计荷载是结构分析的重要依据，取值的合理准确将直接影响结构的安全性和经济性。本工程设计荷载有永久荷载如结构自重、屋面覆盖结构重、吊顶材料及设备重等；可变荷载有屋面活荷载、雪荷载、风荷载等；以及地震作用和温度作用。 3.2 荷载标准值 （1）永久荷载：所有杆件自重由计算程序自动导算，主桁架上弦轻型屋面板自重、檩条自重折合成8.1KN/m线性荷载。此外，主桁架下弦接点考虑99KN的吊挂荷载。
（2）屋面活荷载：0.5 KN/m2，折合成4.5KN/m线性荷载。
（3）风荷载：0.6 KN/m2（基本风压）。折合成5.1KN/m线性荷载。 （4）地震作用：本工程抗震设防烈度为7度0.15g（第一组），特征周期为0.45s。
（5）温度作用：考虑到本地季节性温差，计算温度荷载取-30~+30°温差(结构施工安装时的温度与使用过程中温差的最大差值)。 3.3 荷载工况组合 在荷载工况组合时考虑了以上所列各项荷载标准值。根据结构的承载力极限状态与正常使用状态的设计要求，计算时共采用了22种荷载组合(见表1)。其中同一行的2种组合即分别为升温、降温的情况，温度荷载组合系数取1.0。
表1 荷载工况组合表
4结构分析结果
结构分析采用同济大学编制的钢结构计算软件3D3S9.0进行设计分析，并用通用结构计算软件ETABS校核。按照前述荷载取值及工况组合，对主体结构进行空间整体分析。进行分析时按照动力参与系数应超过90%的原则，计算前30阶振型，结构基本自振周期为2.02sec，前4阶振型如图3所示。表2与表3分别给出了3D3S软件与ETABS软件计算的前六振型自振周期及振动类型。从中可以看出，结构第一及第二振型均是对抗震有利的平动振型,结构整体性好,体系合理。
第1阶振型t=2.02290s 第2阶振型t=1.85500s
第3阶振型t=1.78183s 第4阶振型t=1.77473s
图2登入大厅前四阶振型图
表23D3S计算结构自振周期与振型类型
表3ETABS计算结构自振周期与振型类型
考虑到工程本身的重要性，主要构件的应力比控制在0.75以下。通过分析对结构各杆件截面进行优化，本工程主体总用钢量约454t,单位面积用钢量80Kg/m2。主桁架下弦、腹杆局部杆件采用了不同直径和厚度的截面规格，以对受力较大区域进行加强。
最后选定的结构杆件为：
主桁架：上弦杆Φ450X20、下弦杆Φ465X28（Φ450X20）、腹杆Φ351X14（Φ245X7、Φ219X8）；
次桁架：上弦杆Φ325X8、下弦杆Φ351X8、腹杆Φ168X5.5。
由于六榀主管桁架邊界条件完全相同，因此屋盖最大竖向位移发生在每榀主管桁架中心处，其最大竖向位移-53mm，为跨度的1／1226。
5结语
某会展中心登入大厅钢结构采用了直接相贯焊接的空间管桁架结构形式，通过3D3S软件设计并用ETABS软件校合分析表明，空间管桁架结构用于具有较大跨度的公共建筑中，经过合理的结构设计，可充分发挥其优异的结构性能，用钢量小，实现经济和美观的统一。
参 考 文 献
[1] 钢结构设计规范（GB50017-2003），中国计划出版社，2003 [2] 建筑结构荷载规范（GB50009-2001），中国建筑工业出版社，2006 [3] 新型空间结构分析、设计与施工，人民交通出版社，2008 [4] 钢结构连接节点设计手册，中国建筑工业出版社，2008
廖红伟，天津市建筑设计院，工程师