某大跨度空間管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析
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齊 煜1 劉 偉1 曹延波1 黃 杰1 萬葉青1 陳會強(qiáng)2
（1．機(jī)械工業(yè)第四沒計研究院，河南洛陽471039；2．洛陽正大置業(yè)有限公司，河南洛陽471039）
摘 要：結(jié)合某跨度為54m的體育館屋蓋，經(jīng)多種結(jié)構(gòu)方案比選，確定采用空間管桁架結(jié)構(gòu)體系，并用SPASCAD和MIDAS兩種軟件對該結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行整體分析及比較，并采用MIDAS軟件對典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：該空間管桁架結(jié)構(gòu)體系受力合理，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，根據(jù)分析結(jié)果采取了必要的構(gòu)造措施∞
關(guān)鍵詞：大跨度空間管桁架；典型節(jié)點(diǎn)；有限元分析 DOI:10. 13206/j.gjg201603015
1 工程概況
某工程位于河南省洛陽市開發(fā)區(qū)內(nèi)，是一座高新技術(shù)企業(yè)的室內(nèi)體育館，底部兩層為停車庫，三層為室內(nèi)籃球及羽毛球運(yùn)動場。建筑物長為70.8 m，寬為54 m，檐口高度為15.4~24.1 m。下部兩層車庫柱網(wǎng)為8.4 m×8.5 m。頂部體育館柱距8.4 m，跨度為54 m，兩端各懸挑出3.5 m。屋面采用空間管桁架結(jié)構(gòu)。體育館建筑平面見圖1，整體效果見圖2。
2 主體結(jié)構(gòu)形式
結(jié)構(gòu)體系：下部兩層車庫為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，頂層體育館框架柱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，屋面采用鋼結(jié)構(gòu)，本文主要探討屋面鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)本工程屋面大跨度、長懸挑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行了4種結(jié)構(gòu)形式的比較，具體見表1。
結(jié)合表1的分析比較，本工程屋面結(jié)構(gòu)最終采用空間管桁架結(jié)構(gòu)體系。此結(jié)構(gòu)形式抗壓、抗扭性能好，空間受力穩(wěn)定，且由于本工程曲線屋面加工容易，建成后視覺效果良好，能夠體現(xiàn)美學(xué)與力學(xué)完美結(jié)合的設(shè)計理念。
本工程屋面管桁架平面布置見圖3。管桁架采用空間三角形體系，上弦采用兩根(b273 x12鋼管，下弦采用一根(b351×12鋼管，下弦圓弧段為18000 mm，下弦平直段為36000mm，桁架跨中矢高為3 500mm，通過上、下弦雙圓弧線逐漸減小至端部1 500 mm的矢高。桁架立面圖及空間效果見圖4、圖5。
3 結(jié)構(gòu)計算
3.1 計算參數(shù)的選取
地震作用參數(shù)：根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，本工程建設(shè)場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度值為0.10g，g為重力加速度。建筑場地類別Ⅱ類，場地特征周期0.4 s。
屋面恒荷載為0.6 k N/m2；屋面活荷載為0.6 k N/m2。
風(fēng)荷載：根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本工程建設(shè)場地基本風(fēng)壓為0.40 k N／m2（50年一遇），地面粗糙度類別為A類，基本雪壓為0. 35 k N/m2（50年一遇）。
溫度效應(yīng)：設(shè)安裝時平均溫度為15 0C，考慮升溫工況溫差為30℃，降溫工況溫差為-30℃。
3.2 結(jié)構(gòu)整體彈性分析計算
結(jié)構(gòu)整體分析主要采用SPASCAD和MIDAS兩個軟件進(jìn)行分析比較。
本工程抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防等級為三級。計算時下部基座混凝土樓板考慮為剛性樓板，上部鋼結(jié)構(gòu)屋面考慮為彈性模型。計算時考慮偶然偏心和雙向及豎向地震作用。整體結(jié)構(gòu)計算模型見圖6。
為保持桁架的整體穩(wěn)定，桁架上、下弦均設(shè)置隔震支座，支座選用氯丁膠橡膠彈性支座。橡膠支座長、寬均為450 mm，厚度為50 mm，中間夾4層3 mm厚鋼板。橡膠支座的彈性剛度按照J(rèn)GJ 7-2010《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》計算，豎向剛度K z=1018 547 N/mm；水平剛度K n=K s=6 366 N/mm。
因本工程上、下部分材料不同，抗震計算的阻尼比也有差異，桁架計算分析時計算了3種模型：1)單榀桁架計算；2）上部鋼桁架（加上支撐和檁條）整體計算；3）下部混凝土框架與上部鋼桁架整體建模計算。設(shè)計采用3種模型的最不利包絡(luò)結(jié)果。
因下部基座混凝土部分較為規(guī)則，3種模型桁架計算結(jié)果較為接近。本文僅取第1種上部鋼桁架單榀模型SPASCAD和MADIS軟件的計算分析結(jié)果進(jìn)行比較，見表2。
從上述結(jié)果可以看出：兩種計算軟件的分析結(jié)果比較接近，最大撓度及應(yīng)力比都滿足CB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》要求�？紤]到此桁架形狀為空間圓弧折線型，其在加工熱彎及相貫焊接時，鋼管的壁厚均有一定的削弱，因此在設(shè)計時安全度上進(jìn)行了適當(dāng)放寬。
4 典型節(jié)點(diǎn)有限元分析
本工程管桁架采用相貫節(jié)點(diǎn)，其中支座節(jié)點(diǎn)和下弦節(jié)點(diǎn)連接桿件較多，受力復(fù)雜，采用MIDAS軟件進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)細(xì)部分析。圖7和圖8為選取的作用力較大的典型支座節(jié)點(diǎn)和下弦節(jié)點(diǎn)（靠近支座）有限元分析結(jié)果，鋼材強(qiáng)度等級為Q235B，支座節(jié)點(diǎn)的單元最大等效應(yīng)力約為99.4 M Pa，下弦節(jié)點(diǎn)的單元最大等效應(yīng)力約為168.3 M Pa，均小于設(shè)計強(qiáng)度215 M Pa，符合設(shè)計要求。
5 桁架整體構(gòu)造措施
為保證桁架能夠同下部混凝土框架整體受力，桁架豎向及水平力能夠有效傳遞至下部，本工程設(shè)計時采取了以下構(gòu)造措施：
1)屋面采用連續(xù)檁條設(shè)計，保證檁條與桁架可靠連接，且在屋面的兩端跨檁條改為焊接H型鋼。以確保桁架屋面的整體性。
2)在柱頂位置桁架平面內(nèi)設(shè)置了2 725 mm寬的水平支撐帶，此支撐同端跨的H型鋼檁條形成了一封閉外框，可加大屋面整體剛度，減少扭轉(zhuǎn)。
3)在柱頂縱向桁架支座平面內(nèi)設(shè)置豎向支撐，保證桁架平面外水平力的有效傳遞。豎向支撐布置見圖9。
6 結(jié)束語
本工程桁架體型較為復(fù)雜，管徑較大，設(shè)計時通過對典型節(jié)點(diǎn)的有限元分析，驗證了相貫節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力分布情況，避免局部應(yīng)力集中情況的出現(xiàn)。
設(shè)計時除進(jìn)行各種必須的計算分析外，加強(qiáng)必要的構(gòu)造設(shè)計也非常重要，構(gòu)造措施能夠保證結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性，這樣結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和性能才能達(dá)到預(yù)期性能目標(biāo)和相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的各項要求。
