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摘 要：本文结合某大跨度体育馆的管桁架屋盖结构设计工程设计, 介绍空间管桁架结构的计算方法、主桁架平面布置及支撑平面布置、主桁架设计、杆件及节点设计和屋面排水沟节点设计等内容。所得出的结论具有一定的指导意义和工程应用价值。
关键词: 结构设计; 空间管桁架 ; 相贯节点
中图分类号：TB482文献标识码： A
空间管桁架造型别致新颖, 具有优秀的静、动力特性和良好的经济技术指标, 施工方便。非常适用于复杂多变的建筑形式。空间管桁架既可以很好地满足建筑要求, 又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标, 符合钢结构的最新设计理念, 现在已经被大量地应用在大跨度公共建筑中。管桁架中钢管截面具有一系列独特的优越性能,主要有以下几个方面:
(1) 圆管和方管的管壁一般较薄, 截面回转半径较大, 故抗压和抗扭性能好。对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同, 有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度, 对板件局部稳定性而言,闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下, 建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。
(2) 在截面积相同的型钢中, 钢管外表面积最小, 这就使得钢管与大气的接触面积最小, 加之钢管往往会两端封闭, 内部不会生锈, 这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。而且钢管结构较易于清刷、油漆, 故维护更为方便。
(3) 钢管截面的流体动力特性好。承受风力或水流等荷载作用时, 荷载对钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低得多。
(4) 钢管加工便利。随着多维数控切割技术的发展, 钢管的相贯线切割已经不再是难题, 国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。
鉴于这种结构体系的优点及大量的工程案例, 在某多层大跨体育馆的屋盖钢结构设计中拟采用这种结构体系。
某中学多层大跨体育馆坐南朝北, 东西长约85m, 南北宽约47m, 建筑面积约为7680m2 , 总共四层。下部结构为多层普通钢筋混凝土框架结构, 屋盖采用空间管桁架结构。由羽毛球馆、篮球馆、排球馆及配套用房组成。建筑物重要类别为乙类, 工程设计的使用年限为50 年。建筑结构的安全等级为二级、钢结构的耐火等级为一级, 抗震设防烈度为6 度。
1 结构体系布置
体育馆钢屋盖结构采用倒三角形空间管桁架结构体系, 一共由8榀单独的三角桁架组成， 跨度为39m左右。屋面板采用能够自动锁边的铝镁锰金属屋面板, 屋盖采用双坡排水方案, 结构找坡。
与平面桁架相比, 倒三角形空间管桁架的稳定性及工作性能均更为优良,但仍属于单向受力结构, 其平面外刚度和稳定性稍差。因此, 屋盖支撑体系的设置必不可少。屋盖支撑体系不但可以保证屋盖刚度、空间整体性及几何稳定性, 还可以对弦杆提供侧向支撑点, 承担纵向水平荷载。为此, 在主桁架与主桁架之间支座附近的两个网格内布置连接桁架,类似于普通屋盖结构的纵向支撑。同时在桁架跨度内同时在上下弦均匀布置3道水平刚性系杆, 在B- D轴、B- S 轴靠近山墙一侧两榀桁架之间布置横向支撑, 在B- L 轴靠近隔墙两侧分别在两榀桁架之间布置横向支撑, 在B- 2 轴、B- 9 轴与山墙间的桁架中间位置布置2 个网格的纵向支撑, 以上措施用于提高主桁架的平面外刚度及稳定性, 连接桁架的具体形式见图1。屋盖支撑体系管材选用Q345B钢及Q235B 钢无缝钢管, 截面尺寸为主要有Φ 114 × 4.0 和Φ76× 4.0 两种, 与主桁架的连接均采用全熔透对接焊缝。
2 荷载及工况组合
本设计的荷载标准值取值如下:
(1) 静荷载标准值: 屋面板自重0.5kN/m2, 下弦吊挂荷载0.3kN/m2。
(2) 活荷载: 屋面活荷载标准值为0.5 kN /m2 , 雪荷载标准值为0.45 kN /m2, 二者取最大值。
(3) 温度荷载: ±30℃( 结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值)。
(4) 风荷载: 基本风压0.55kN/m2。在荷载工况组合中考虑了静荷载、活荷载( 包括不利活荷载) 、风荷载及温度荷载影响。由于屋盖的风压系数绝大部分为负值, 故在考虑风荷载的组合中,对静荷载与活荷载的分项系数予以适当折减考虑。荷载工况取12 种基本组合, 主要如下:
(1) 1.2×静。
(2) 1.2 × 静+ 1.4 ×活。
(3) 0.9 × 静+ 1.4 × 风。
(4) 1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 0.8 × 风。
(5) 1.2 × 静+ 1.0 × 温度( + 30℃) 。
(6) 1.2 × 静 +1.0 × 温度( - 30℃) 。
(7) 1.2 × 静+ 1.4 ×活+ 1.0 ×温度( + 30℃ ) 。
(8) 1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 1.0 × 温度( - 30℃) 。
(9) 0.9 × 静+ 1.4 ×风+ 1.0 ×温度( + 30℃) 。
(10)0.9 × 静+ 1.4 × 风+ 1.0 ×温度( - 30℃ ) 。
(11)1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 0.8 ×风+ 1.0 ×温度( + 30℃) 。
(12)1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 0.8 ×风+ 1.0 ×温度( - 30℃ ) 。
3 空间管桁架设计
体育馆钢屋盖倒三角形空间管桁架结构采用3D3S钢结构计算分析软件和MIDAS/GEN通用有限元分析软件进行联合分析, 钢结构自重由程序自动计算。设计时对三种计算模型进行了比较分析, 三种计算模型包括: ① 所有杆件均为梁单元;② 所有杆件均为桁架单元; ③上下弦杆为梁单元, 腹杆为桁架单元。分析结果表明, 构件是否选用梁单元还是桁架单元对设计结果影响不大, 主要原因是管桁架只承受结点荷载的作用, 各构件内力以轴力为主, 弯矩较小。最终确定空间管桁架的上弦杆为2Φ180× 10, 下弦杆为Φ180 × 10, 腹杆为Φ159× 6、Φ114 × 4、Φ89 × 4、Φ76 × 4, 具体如图2 所示。空间管桁架的圆钢管均采用无缝钢管, 除上下主弦杆件采用Q345B材料外其余杆件均采用Q235B材料。圆钢管的质量等级应符合( GB8162- 87) 5结构用无缝钢管6的要求, 同时严格控制壁厚与直径的公差。空间桁架弦杆截面贯通, 腹杆焊于弦杆之上, 弦杆的管径保持不变, 尽量少设接头, 当杆长无法满足要求时, 拼接节点采用全熔透等强对接焊缝。
本工程采用了圆钢管直接相贯焊接的节点连接方法, 从而避免了传统的设置节点板进行焊接或采用螺栓球结点的连结方法, 这使得钢管结构轻巧、美观的特性能够充分得以展现。由于节点的承载力设计值决定了整个结构体系的承载性能, 故节点设计必须加以重视。随着管桁架工程的已日渐增多, 这种圆钢管相贯焊接节点的设计方法也日趋成熟。对于空间管桁架结构计算中最常用的K 型节点, 采用我国规范对其进行了计算。对于空间管桁架中的KK, TT, TK 等多平面受力情况, 参照规范对节点承载力乘以修正系数0.9。计算结果表明所设计的相贯节点均满足要求。为了美观, 桁架上弦两根钢管到支座处与单根下弦钢管交为一点, 最后集中到一个焊接球上面, 做成类似于网架的球铰支座, 具体如图3 所示。这样的球铰节点相比一般的利用原结构弦杆下加十字板或者钢管小短柱支座有两个优点: ①传力明确, 构造简单;② 和焊接球网架节点计算原理一样, 有比较成熟的计算公式。
4 结语
结合某多层大跨体育馆的空间管桁架屋盖的结构设计, 详细介绍了结构体系布置、空间管桁架设计、杆件节点设计及屋面排水节点设计等内容, 得出了一些有意义的结论, 如下:
(1) 利用空间管桁架作为屋盖结构具有很多优点, 不仅满足了本体育馆大跨度的要求, 而且作为一种结构体系, 它符合了大跨空间结构的发展需要, 营造了美学与力学的完美结合的设计理念, 此类结构型式具有强劲的发展势头, 必将得到广泛的工程实践应用。
(2) 在空间管桁架结构设计中应充分重视节点设计, 在现有规范设计公式不足的情况下, 采用有限元分析结果并参照规范类似节点设计公式进行節点设计的方法是可行的。
(3) 采用倒三角形截面的空间管桁架在平面外稳定性仍然较弱, 在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成几何不变体系; 否则应进行空间管桁架的平面外稳定分析。
关键词: 结构设计; 空间管桁架 ; 相贯节点
中图分类号：TB482文献标识码： A
空间管桁架造型别致新颖, 具有优秀的静、动力特性和良好的经济技术指标, 施工方便。非常适用于复杂多变的建筑形式。空间管桁架既可以很好地满足建筑要求, 又能够使结构达到安全、适用、经济等性能指标, 符合钢结构的最新设计理念, 现在已经被大量地应用在大跨度公共建筑中。管桁架中钢管截面具有一系列独特的优越性能,主要有以下几个方面:
(1) 圆管和方管的管壁一般较薄, 截面回转半径较大, 故抗压和抗扭性能好。对称截面形式使得截面惯性矩对各轴相同, 有利于单一杆件的稳定设计。截面的闭合提高了抗扭刚度, 对板件局部稳定性而言,闭合截面也优于有悬挑板件的开口截面。在许多场合下, 建筑师也愿意利用钢管外观简洁的特点表达其建筑意图。
(2) 在截面积相同的型钢中, 钢管外表面积最小, 这就使得钢管与大气的接触面积最小, 加之钢管往往会两端封闭, 内部不会生锈, 这就大大减少了防腐防火涂层的材料消耗和涂装工作量。而且钢管结构较易于清刷、油漆, 故维护更为方便。
(3) 钢管截面的流体动力特性好。承受风力或水流等荷载作用时, 荷载对钢管结构的作用效应比其它截面形式结构的效应要低得多。
(4) 钢管加工便利。随着多维数控切割技术的发展, 钢管的相贯线切割已经不再是难题, 国内许多钢结构加工厂家已经掌握了这项技术。
鉴于这种结构体系的优点及大量的工程案例, 在某多层大跨体育馆的屋盖钢结构设计中拟采用这种结构体系。
某中学多层大跨体育馆坐南朝北, 东西长约85m, 南北宽约47m, 建筑面积约为7680m2 , 总共四层。下部结构为多层普通钢筋混凝土框架结构, 屋盖采用空间管桁架结构。由羽毛球馆、篮球馆、排球馆及配套用房组成。建筑物重要类别为乙类, 工程设计的使用年限为50 年。建筑结构的安全等级为二级、钢结构的耐火等级为一级, 抗震设防烈度为6 度。
1 结构体系布置
体育馆钢屋盖结构采用倒三角形空间管桁架结构体系, 一共由8榀单独的三角桁架组成， 跨度为39m左右。屋面板采用能够自动锁边的铝镁锰金属屋面板, 屋盖采用双坡排水方案, 结构找坡。
与平面桁架相比, 倒三角形空间管桁架的稳定性及工作性能均更为优良,但仍属于单向受力结构, 其平面外刚度和稳定性稍差。因此, 屋盖支撑体系的设置必不可少。屋盖支撑体系不但可以保证屋盖刚度、空间整体性及几何稳定性, 还可以对弦杆提供侧向支撑点, 承担纵向水平荷载。为此, 在主桁架与主桁架之间支座附近的两个网格内布置连接桁架,类似于普通屋盖结构的纵向支撑。同时在桁架跨度内同时在上下弦均匀布置3道水平刚性系杆, 在B- D轴、B- S 轴靠近山墙一侧两榀桁架之间布置横向支撑, 在B- L 轴靠近隔墙两侧分别在两榀桁架之间布置横向支撑, 在B- 2 轴、B- 9 轴与山墙间的桁架中间位置布置2 个网格的纵向支撑, 以上措施用于提高主桁架的平面外刚度及稳定性, 连接桁架的具体形式见图1。屋盖支撑体系管材选用Q345B钢及Q235B 钢无缝钢管, 截面尺寸为主要有Φ 114 × 4.0 和Φ76× 4.0 两种, 与主桁架的连接均采用全熔透对接焊缝。
2 荷载及工况组合
本设计的荷载标准值取值如下:
(1) 静荷载标准值: 屋面板自重0.5kN/m2, 下弦吊挂荷载0.3kN/m2。
(2) 活荷载: 屋面活荷载标准值为0.5 kN /m2 , 雪荷载标准值为0.45 kN /m2, 二者取最大值。
(3) 温度荷载: ±30℃( 结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值)。
(4) 风荷载: 基本风压0.55kN/m2。在荷载工况组合中考虑了静荷载、活荷载( 包括不利活荷载) 、风荷载及温度荷载影响。由于屋盖的风压系数绝大部分为负值, 故在考虑风荷载的组合中,对静荷载与活荷载的分项系数予以适当折减考虑。荷载工况取12 种基本组合, 主要如下:
(1) 1.2×静。
(2) 1.2 × 静+ 1.4 ×活。
(3) 0.9 × 静+ 1.4 × 风。
(4) 1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 0.8 × 风。
(5) 1.2 × 静+ 1.0 × 温度( + 30℃) 。
(6) 1.2 × 静 +1.0 × 温度( - 30℃) 。
(7) 1.2 × 静+ 1.4 ×活+ 1.0 ×温度( + 30℃ ) 。
(8) 1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 1.0 × 温度( - 30℃) 。
(9) 0.9 × 静+ 1.4 ×风+ 1.0 ×温度( + 30℃) 。
(10)0.9 × 静+ 1.4 × 风+ 1.0 ×温度( - 30℃ ) 。
(11)1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 0.8 ×风+ 1.0 ×温度( + 30℃) 。
(12)1.2 × 静+ 1.4 × 活+ 0.8 ×风+ 1.0 ×温度( - 30℃ ) 。
3 空间管桁架设计
体育馆钢屋盖倒三角形空间管桁架结构采用3D3S钢结构计算分析软件和MIDAS/GEN通用有限元分析软件进行联合分析, 钢结构自重由程序自动计算。设计时对三种计算模型进行了比较分析, 三种计算模型包括: ① 所有杆件均为梁单元;② 所有杆件均为桁架单元; ③上下弦杆为梁单元, 腹杆为桁架单元。分析结果表明, 构件是否选用梁单元还是桁架单元对设计结果影响不大, 主要原因是管桁架只承受结点荷载的作用, 各构件内力以轴力为主, 弯矩较小。最终确定空间管桁架的上弦杆为2Φ180× 10, 下弦杆为Φ180 × 10, 腹杆为Φ159× 6、Φ114 × 4、Φ89 × 4、Φ76 × 4, 具体如图2 所示。空间管桁架的圆钢管均采用无缝钢管, 除上下主弦杆件采用Q345B材料外其余杆件均采用Q235B材料。圆钢管的质量等级应符合( GB8162- 87) 5结构用无缝钢管6的要求, 同时严格控制壁厚与直径的公差。空间桁架弦杆截面贯通, 腹杆焊于弦杆之上, 弦杆的管径保持不变, 尽量少设接头, 当杆长无法满足要求时, 拼接节点采用全熔透等强对接焊缝。
本工程采用了圆钢管直接相贯焊接的节点连接方法, 从而避免了传统的设置节点板进行焊接或采用螺栓球结点的连结方法, 这使得钢管结构轻巧、美观的特性能够充分得以展现。由于节点的承载力设计值决定了整个结构体系的承载性能, 故节点设计必须加以重视。随着管桁架工程的已日渐增多, 这种圆钢管相贯焊接节点的设计方法也日趋成熟。对于空间管桁架结构计算中最常用的K 型节点, 采用我国规范对其进行了计算。对于空间管桁架中的KK, TT, TK 等多平面受力情况, 参照规范对节点承载力乘以修正系数0.9。计算结果表明所设计的相贯节点均满足要求。为了美观, 桁架上弦两根钢管到支座处与单根下弦钢管交为一点, 最后集中到一个焊接球上面, 做成类似于网架的球铰支座, 具体如图3 所示。这样的球铰节点相比一般的利用原结构弦杆下加十字板或者钢管小短柱支座有两个优点: ①传力明确, 构造简单;② 和焊接球网架节点计算原理一样, 有比较成熟的计算公式。
4 结语
结合某多层大跨体育馆的空间管桁架屋盖的结构设计, 详细介绍了结构体系布置、空间管桁架设计、杆件节点设计及屋面排水节点设计等内容, 得出了一些有意义的结论, 如下:
(1) 利用空间管桁架作为屋盖结构具有很多优点, 不仅满足了本体育馆大跨度的要求, 而且作为一种结构体系, 它符合了大跨空间结构的发展需要, 营造了美学与力学的完美结合的设计理念, 此类结构型式具有强劲的发展势头, 必将得到广泛的工程实践应用。
(2) 在空间管桁架结构设计中应充分重视节点设计, 在现有规范设计公式不足的情况下, 采用有限元分析结果并参照规范类似节点设计公式进行節点设计的方法是可行的。
(3) 采用倒三角形截面的空间管桁架在平面外稳定性仍然较弱, 在设计中应通过增设横向和纵向支撑来形成几何不变体系; 否则应进行空间管桁架的平面外稳定分析。