某体育中心屋面钢结构设计

提要： 拱形立体桁架对支座有较大的水平推力，导致下部结构和支座设计困难，本工程通过采用弹性支座的方式，有效减小了支座水平推力，产生了较好的技术经济效益，并对关键节点进行了有限元分析。

关键词： 立体桁架;弹性支座;节点分析

1 工程概况

本工程为某街道办事处建设的体育中心项目， 设2栋建筑-主馆和副馆，通过连廊相连为一体，其中主馆为单层建筑、局部2层，地下1层。主馆平面为多段圆弧组成的近似椭圆，长轴距离79.1米，短轴距离59.1米，挑檐挑出长度约5.8m。檐口高度16.750米，屋面最高处高度25.300米。主体采用钢筋混凝土框架结构，屋盖采用支承在混凝土柱顶的12榀三角形立体主桁架，在接近中心位置用内环桁架过渡。

2 屋面钢结构设计

2.1 荷载取值

本工程结构安全等级为二级，设计使用年限为50年。建筑抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为II类、特征周期0.35s，地震作用计算同时考虑水平地震和竖向地震，竖向地震影响系数的最大值，取水平地震影响系数最大值的65%。

50年一遇基本风压为0.75kN/m2，地面粗糙度类别B类。基准温度取20°C，最大升温对室内构件取+25°C，对室外构件取+40°C，最大降温均取-15°C。对室外挑檐，考虑了其风荷载有变号的可能，即出现风荷载向下的不利情况。

屋面活载除考虑满布外，还考虑了四种半跨分布的情况，以考虑对跨中附近腹杆内力的影响。

2.2 上部结构体系

主馆周边设置有24根混凝土柱，在这24根混凝土柱顶与建筑中心连线的方向设置主桁架上弦，并在柱顶桁架支座间沿建筑环向设置外环钢梁。在两根混凝土柱之间的外环钢梁中点与建筑物中心连线的方向布置主桁架下弦，主桁架下弦每隔两根混凝土柱布置一根，共12根。24根上弦和12根下弦组成12榀三角形立体主桁架，在接近建筑物中心处与内环桁架连接，内环桁架的平面投影形状与建筑物的平面形状类似，为多折线组成的近似椭圆。

三角形立体主桁架在外环钢梁处的高度为零，随着向建筑中心延伸，高度逐渐变大，但宽度则逐渐收窄。24根主桁架上弦与内环桁架上弦相交后经二次过渡，最终有8根汇交于上弦中点;12根主桁架下弦与内环桁架下弦相交后，通过12根内环水平拉杆汇交于下弦中点，上下弦中点间设置内环撑杆连接，并在对应8根汇交于上弦中点的上弦位置，在内环上弦与内环撑杆下端间设置内环斜拉杆。

在主桁架上弦形成的曲面内，对应主桁架节点的位置布置若干道环向檩条，环向檩条除作为屋面金属板的支承外，还兼做环向系杆。在近似椭圆的两条对称轴处的主桁架上弦间设置了径向水平支撑，在适当的位置设置了三道环向水平支撑，确保屋面结构在主桁架上弦曲面内有足够的面内刚度。

周边挑檐通过在对应主桁架上弦的位置设置24榀近似三角形桁架构成，三角桁架后端与桁架上弦连接，在挑檐三角桁架的屋脊环梁和主桁架外环钢梁之间设置环向桁架，并在挑檐下弦平面内设置水平支撑，共同形成挑檐的稳定体系。

整个屋盖结构大致呈拱形，在初步设计阶段首先按与混凝土柱顶固定铰接的方式建立总装模型进行试算，计算结果显示屋盖在竖向荷载和温度作用下传递给混凝土柱顶的水平推力过大，不仅在混凝土柱中产生了很大的弯矩、在混凝土柱顶的混凝土环梁中产生了很大的拉力，而且过大的水平推力导致预埋件无法设计。

最终通过将桁架支座均采用成品减震双向位移型抗拔球铰支座（水平弹性支座）的方法，支座的水平刚度设置为1200kN/m，水平位移限值为±100mm，不仅显著减小了竖向荷载及温度作用下对混凝土结构的水平推力，也减小了地震作用下对下部混凝土结构的影响。虽然使用水平弹性支座对桁架的竖向刚度有一定程度降低，但由于桁架在跨中仍有足够的高度，计算结果显示其竖向变形仍较小。

2.3 结构计算模型及计算参数

结构整体计算采用通用有限元分析与设计程序midas Gen。将屋盖钢结构和混凝土柱及柱顶混凝土环梁建立总装模型，屋盖与混凝土柱顶间的水平弹性支座用“弹性连接”模拟，弹性连接中的轴向刚度取极大值，侧向刚度取1200kN/m。在多遇地震作用下的阻尼比取为0.03，考虑少量非承重墙的影响，对计算周期取用0.8的折减系数。

2.4 结构分析结果

特征值分析结果显示，主馆总装模型的第一自振周期为大致沿近似椭圆短轴方向的平动，第二自振周期则为大致沿长轴方向的平动，第三自振周期以扭转为主，第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.769。

弹性支座处屋盖钢结构和混凝土柱顶存在一定的相对位移，但从振型形态看仍显示出较强的一致性。

各种工况作用下，支座上下节点的相对位移最大值分别为：恒载5mm、活载3mm、风荷载8mm、温度作用1mm、多遇地震12mm，可见实际相对位移远小于支座位移限值±100mm。

各种荷载基本组合工况作用下，支座的最大水平力为59kN，显示出弹性支座的设置显著减小了屋盖对下部混凝土结构的水平推力，不仅使得下部结构可以设计得更经济，而且也明显提高了整体结构的可靠度。

桁架跨中恒载+活载作用下位移为50mm，为短跨跨度59.1m的1/1182<1/300，远小于相关规范的要求。

2.5 关键节点的分析

本工程的上弦中心节点，为8根上弦杆件汇交于与设置竖向和环向加劲肋的钢管鼓;下弦中心节点则有12根水平拉杆和8根斜向拉杆汇交;上下弦中心节点间有撑杆相连。节点汇交处受力复杂，为明确在最不利荷载作用下的应力分布，对其进行了有限元分析。

分析结果显示上弦中心节点在最不利荷载作用下最大有效应力为100.3kN/m2，下弦中心节点在最不利荷载作用下最大有效应力为146.7kN/m2，具有较高的安全储备。

3 结语

当屋盖的外形呈拱形时，在部分工况下对下部结构将产生很大的水平推力，如采用固定铰支座，不仅导致下部结构内力过大，影响下部结构的经济性，支座节点和预埋件也难以设计，即使勉强完成设计，施工难度也很大，将降低使用过程中的可靠度。如改变“抗”的思路为“放”的思路，将支座设置为弹性支座，不仅可以显著减小水平推力对下部结构的影响，也使得支座节点容易设计和施工，具有较高的技术和经济效益。

对杆件交汇较多，受力较复杂的节点，常规节点计算难以反映实际的受力情况，有必要对其进行有限元分析，以反映应力的实际分布，判断其合理性和可靠性。

参考文献：

[1] JGJ 7-2010，空间网格结构技术规程[S].

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

作者簡介： 康侃（1980-），男，工程师，一级注册结构工程师。