体育馆大跨度钢结构屋盖的结构设计

王昱

【摘 要】进入二十一世纪以来，在经济持续不断发展的过程中，建筑行业也进入到了一个蓬勃发展的时期，期间涌现出了各种不同的新兴建筑结构和新型工程设备，这类新兴技术和新型设备的应用，对于现代建筑工程结构性能的提升带来了巨大的便利。如大跨度钢结构结构，该结构形式为大空间建筑结构的修建提供了更好的技术支持，本篇文章主要对某体育馆的大跨度钢结构屋盖设计进行了全面详细的阐述，从而对其中的关键环节进行了全面的计算，以期为其他大跨度钢结构建筑修建提供参考。

【关键词】钢管桁架；立体桁架；相贯节点

大跨度钢结构是建筑行业不断发展过程中出现的一种极为优秀的建筑结构形式，该建筑结构形式自身所具有的结构性能能够为开阔性空间提供极为良好的结构支撑，避免结构出现各种不同的质量问题。在大跨度钢结构实际施工的过程中，最为重要的便是对大跨度转换立体桁架计算、拱型倒三角形钢管桁架计算、构造处理、节点设计等几个方面。下文主要针对体育馆大跨度钢结构屋盖结构设计进行了全面详细的阐述。

0.工程概况

某体育馆建筑平面呈八角形，由65.4m×67.2m 矩形切角而成，地上三层，一层地下室。地下室用作羽毛球馆、乒乓球室、健身房等体育训练用房及设备间。一层局部为门厅及休息室，其余均不设楼板，以形成地下室大空间训练用房。二层是由篮球赛场、看台、舞台等组成大空间运动馆，看台下夹层为办公室、会议室及休息室等。三层和局部四层为休息室、灯光音响控制室及机房。室内座位为3000 座。

屋盖结构横向由不等高三跨组成，中间主跨跨度33.6m，为一拱形倒三角形钢管桁架，凸出屋顶4.5m；两侧低跨为跨度15.9m 的斜屋面，坡度5%，采用网架结构；屋盖周边纵向柱距8.4m。屋盖内无柱支承，在轴设一转换立体桁架，其上弦作为钢管桁架支座，下弦为网架屋面支座，立体桁架在轴间跨度为42.0m。立体桁架的支座为轴柱顶钢牛腿。主跨拱形钢管桁架支座为轴框架柱及轴42.0m 大跨度转换立体桁架。拱形桁架拱顶标高23.65m，支座标高19.10m；两侧低跨网架结构支座为周边框架柱及轴42.0m 大跨度立体桁架，檐口标高15.30m。

1.大跨度钢结构屋盖结构设计

1.1荷载取值

钢结构屋盖上弦均布恒荷载标准值取0.35kN/㎡，局部装饰吊顶取0.3kN/㎡；活荷载取0.5kN/㎡；屋盖下弦均布恒荷载标准值取0.3kN/㎡，悬挂维修马道恒荷载1.5kN/㎡，活荷载取1.0kN/㎡。基本风压W0为0.35kN/㎡，地面粗糙度类别B 类。基本雪压S0为0.5kN/㎡。由于中间主跨为33.6m 的拱形倒三角形钢管桁架，温度作用对结构的影响很大，考虑本地区季节性温差，取△T=±25°C（结构施工安装时的温度与使用过程中温度的最大差值）。抗震设防烈度为6 度。对拱形三角形钢管桁架和立体桁架计算时按规范考虑各种工况及工况组合。

1.2结构分析

在对建筑实自身的结构体系进行分析的过程中，应当使用SATWE来进行整体分析。而其屋盖结构在进行分析的过程则应当使用有限元分析软件SAP2000来对其进行深入的分析。并且在实际分析的过程中，务必要保证立体桁架、单榀钢管拱桁架、屋盖钢结构、组合工况这几个方面的信息进行全面详细的分析，最大限度的避免数据出现失误对于分心结果所带来的影响。而在对桁架之上不同部位的弦杆件进行选择的过程中，应当使用梁单元来计算，而其屋面支撑体系以及腹杆这两个部位则可以直接指定成为杆单元。

1.3三角形钢管桁架设计

拱形三角形钢管桁架的杆件采用Q345B 无缝钢管，跨中高2.7m，支座高1.35m。上弦杆支座处三节间为ф180×10，其余为ф180×6；下弦杆支座处三节间为ф180×10，外挑部分为ф121×4，其余为ф168×6；上弦水平腹杆及斜腹杆为ф68×4，上下弦斜腹杆为ф89×4。钢管桁架制作时构造起拱15mm。

1.4大跨度立体桁架设计

转换立体桁架作为屋盖系统支撑，承受屋盖拱桁架支座的竖向力及水平推力，是整个屋盖设计的重点。该桁架轴间跨度为42.0m，竖向荷载及水平推力均较大，采用平面桁架难以胜任，故采用空间立体桁架。立体桁架是由两榀平面桁架组成的矩形空间桁架，截面高4.5m，宽2.2m。杆件采用空心方钢管，上弦杆断面为500×300×16，支座处断面为500×300×20，下弦杆断面为300×300×12。上弦腹杆断面为250×250×12和160×160×5，其余腹杆断面为160×160×5和100×100×4。为加强立体桁架的刚度，在立体桁架的每个集中力作用点处设置交叉支撑。立体桁架具有很大的抗弯抗扭能力，对传递屋面水平力和增加屋面的整体刚度十分有利。立体桁架设计时，为确保安全，假定拱桁架水平推力主要由立体桁架上弦和水平腹杆组成的水平桁架抵抗。立体桁架是按变形控制进行设计，跨中水平位移控制在15mm 内，竖向位移控制在30mm 内，以满足作为屋盖系统支撑要求及保证立体桁架侧面玻璃幕墙安装。

1.5节点设计

三角形钢管桁架、立体桁架这两个不同部分在整个大跨度建筑结构中，都属于钢管相贯空间体系结构，在进行焊接过程过程中，则应当使用腹杆以及弦杆这两个不同部分汇交相贯。而在对极为重要的部分进行焊接的过程中，就应当对不外露的管内加上相应的劲板，最大限度的提高节点承载力，避免相贯线部位所存在的压力过大。而其整体结构中的桁架支座应当使用具有板式橡胶垫的支座来支撑，通过这一结构形式的支撑，能够极大的提升支座转动所需要达到的相应要求，其实际参数不仅完全和假定数值想结合，还能够对于支座的相关节点进行适应，适应的范围包括了地震作用、温度应力过程中所出现的不同程度水平变位。而整个过结构体系对于结构支撑状态来说，有着极大的益处，能够极大的提升建筑结构寿命。

在对大跨度的立体桁架、拱型三角形钢管桁架进行焊接的过程中，对其焊缝有着较高的要求：

（1）其中的矩形钢管主材在进行拼接的过程中，务必要使用全熔透坡口来进行等强度对焊，而圆钢管在进行拼接的过程中也同样需要使用全熔透的方式来对接焊缝，在焊接的过程中还需要加上相应的衬管，并且其焊缝的质量等级要保证达到一级的水准。

（2）桁架中的上下弦在工地上进行拼装的过程中，应当使用全熔透坡口来进行焊缝对接，其焊缝所具有的质量应当达到二级。

（3）各个不同部位但是存在相贯的节点，也同样需要保证焊缝的质量达到二级。

（4）支座、钢管这几个不同部分在进行全熔透焊缝对接的过程中，焊缝质量等级为一级。

2.结束语

综上所述，本篇文章主要针对体育馆自身的大跨度屋盖钢结构形式进行了全面详细的计算分析，并且在这一过程中还对共性三角形钢管桁架、单榀转换大跨度桁架、三角形钢管桁架这三者之间所具有的相关协同性进行了全面计算。并且根据计算结果，得出了以下建议：在实际施工的过程中，务必要对立体桁架的转换过程进行实全面检测，保证施工过程中各个不同杆件的应力值在一个良好的范围之内，以便于其立体桁架拥有更好的结构性能。

【参考文献】

[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]陈以一，陈扬骥.钢管结构相贯节点的研究现状.建筑结构，2002，（7）：52-55.

[3]张毅刚，薛素铎，杨庆山，范峰编著，沈世钊主审.大跨空间结构.北京：机械工业出版社，2005.