大跨度采光顶钢结构设计

1.工程概况

无锡八佰伴项目位于无锡繁华商业街区，地处中山路与学前东路十字交汇处，是江苏省内和长三角地区极具竞争力和影响力的百货购物商场。八佰伴商场由A 幢楼、B 幢楼和连廊组成，北边为B幢，南边为A幢，西边为钢结构连廊。A 幢为原有老楼房，B 幢为拆除新建建筑，A幢、B幢均为8层；钢连廊为七层。A幢、B 幢和连廊三部分在中间围成一个直角梯形的共享空间，贯通1-8 层。连廊和共享空间的顶面即为本工程玻璃采光顶屋盖部分，整个玻璃采光顶平面呈直角梯形，内口宽12.3m、外口宽27.9m、直角边长42.8m，最高点标高为45.250m，两边建筑找坡3%，集中排水。采光顶内部在钢结构施工完成后，在主桁架外侧和底面用纸面石膏板进行效果装饰；次桁架用纸面石膏板包裹做成装饰梁。

采光顶采用钢结构主次桁架的结构形式，主桁架为倒直角三角形空间桁架，跨度42.8m，次桁架为平面桁架，跨度分别为10.9m、13.85m、16.78m、19.95m、23m 不等。主桁架连接在新建B 幢的梁、柱上，次桁架一端连在B 幢上，另一端连在主桁架上，铰接连接，主次桁架顶面平。

2.屋盖钢结构体系

由于本工程为改造工程，依据业主要求，不允许在A 幢结构上增加荷载，经多种方案比较，采光顶屋面决定采用桁架结构体系，其结构主要由主次桁架、屋盖支撑体系以及钢檩条组成[1]。在轴线的位置布置主桁架，为两跨连续的倒三角形截面钢管桁架，其跨度分别为34.4m、8.4m,里端支承于钢筋混凝土梁上，外端支承于钢骨混凝土柱上。在、轴及以东位置依次布置次桁架，一端与B 幢第8 层的砼梁连接，一端与主桁架上弦相连。在次桁架上弦之间平行于轴布置采光顶檩条。次桁架HJ-5、6 的上下弦分别布置上弦支撑和下弦支撑以及垂直支撑系统，以保证整个结构系统的整体稳定性。结构布置见图1。

图1 桁架上弦结构平面布置图

由于主桁架右侧的A 幢结构依据业主要求不允许有外荷载作用，且主桁架离A 幢边缘距离仅为2.6m，通过方案比较认为，一方面主桁架截面为尖角朝下的倒直角三角形的空间桁架形式，能比较好地解决轴线以右，靠近A 幢的采光顶的荷载传递问题。另一方面主桁架各部分的功能不尽相同，竖向的直角边所在的平面内的桁架片由于承受整个桁架主要的荷载，叫（主桁架的）主桁架片，水平直角边所在平面内的桁架承受主桁架两侧围护结构传来的水平风荷载，叫做（主桁架的）水平桁架片，斜边所在的桁架平面由于承受整个桁架的荷载较少，叫做（主桁架的）副桁架片，这样主桁架各部分的功能明确[2]。

主桁架的弦杆、腹杆均选用钢方管，仅水平桁架片、副桁架片的斜腹杆为相互交叉的只拉角钢杆件。主桁架共设四个支座，两个上弦支座设在轴的钢筋砼梁上；两个下弦支座，分别设在、轴线上钢连廊顶层的柱顶。

次桁架为平面桁架，共5 榀，为HJ-2～6，单跨结构，弦杆、腹杆均采用热轧宽翼缘工字钢，桁架HJ-2～4 弦高1.5m，上弦一端支承在B 栋屋顶的钢筋砼梁上，另一端连于主桁架的上弦节点；HJ-5、6 弦高均为4m，主要为满足建筑要求。HJ-5 一端的上弦支承在B 栋屋顶的钢筋砼梁上，另一端的上下弦分别连于主桁架的上、下弦节点；HJ-6 桁架一端的下弦支承在B栋屋顶的钢筋砼梁上，另一端的上下弦分别连于主桁架的上下弦节点。

所有竖向荷载由竖向桁架承担，采光屋顶南北侧面传来的风荷载都由水平桁架片承担，西面的风荷载则由、轴上的次桁架及其上下弦支撑体系构成的“空间桁架”承担。温度变化引起的内力由桁架自身的变形吸收。

采用桁架檩条结构体系，传力路径清晰，结构受力明确，构造简单易实现。但本工程结构整体跨度大、自身稳定性差，单个构件受荷面积大，因此，设计中重点要解决整个结构体系以及组成部分的稳定性的问题；解决温度变化对大跨度结构变形的影响；各种荷载组合下的结构安全性等几个问题。

3.采光顶钢结构整体稳定性分析

主桁架为倒直角三角形空间结构，属自身偏心构件且重心高，一方面在空间桁架上弦轴方向的两个端点各设一个支座以降低空间桁架重心，另一方面，以主桁架片平面为轴，次桁架布置在主桁架重心的另一侧，以平衡偏心，次桁架同时作为空间桁架的平面外支撑结构。

次桁架HJ-5、6 在各自的平面内和主桁架构成了有两个多余约束的几何不变体，它们之间又设置了上、下弦横向水平支撑、垂直支撑各五道，就使之形成一个刚度很大的“刚体”，再通过刚性檩条把其它次桁架和“刚体”连接起来，解决了次桁架平面外稳定问题——上弦压杆的平面外稳定，同时还能共同承担次桁架平面外的风荷载。次桁架承受较大横向荷载的边支座处也用刚性檩条连接起来，并和其它刚性檩条一样，端部固定于钢筋混凝土结构梁柱上，作为次桁架的平面外支撑，保证次桁架在平面外不失稳，从而使整个结构的稳定性得到保障。

4.温度效应对结构的影响

设计中，对于温度效应主要考虑了三个方面的问题：

（1）采光顶顶面为三层刚化中空Low-E 玻璃，有良好的低导热、低辐射性能，受外部温度的影响不大，使钢结构基本处于室内环境。

（2）八佰伴为高档大型商场，集中空调，室内常年温度变化不大。

（3）适当考虑温度变形的影响，考虑到室内有可能有一定的温度变化，在结构计算分析中，给结构施加了0℃～30℃的温度荷载的变形影响，使结构自身有承受30℃温度变化的能力。

5.结构计算分析

本工程主桁架不仅跨度大，其上的受荷宽度更大，平均达到12m，最大16m，因此结构安全分析不能轻视。本工程采用同济大学钢结构计算分析软件3D3S 进行了建模分析计算，Sap2000 进行验证。

5.1 荷载取值

在结构分析中考虑了恒载、活载、风载、雪载、水平地震作用、温度作用。恒载考虑面板玻璃及其构配件的重量以及结构构件自重，由于结构构件外有装饰材料包裹，自重乘1.2 的增大系数；温度荷载计算中考虑0℃～30℃，并作为一种可变荷载参与组合。结构重要性系数取1.1。

5.2 荷载组合

按国家现行规范的有关规定进行了荷载组合，考虑了各种荷载在最不利组合情况下对结构的影响，对于结构变形的计算则采用除风荷载以外的静载和活载的标准值进行。主要考虑了以下6 种不利荷载组合，具体如下：

（1）考虑了所有作用方向向下的荷载作用下，可能的最大和最不利的情况。

（2）考虑了结构静载、活荷载、风荷载、水平地震作用下，可能的最大和最不利的情况。

（3）考虑了结构静载、活荷载、风荷载、温度荷载作用下，可能的最大和最不利的情况。

（4）考虑在结构静载、风荷载作用下，使主桁架结构翻转的最不利情况。

（5）考虑除风荷载以外的静载和活载的标准值，计算各构件的变形情况。

（6）考虑水平风荷载，考察结构抵抗水平方向荷载的能力。

6.重要节点构造

由于采用了管式交汇相贯节点，具体设计时考虑了：

（1）主管和支管或者两支管轴线间夹角不小于30 度，否则不易焊接，质量难以保证。同时两支管间间隙应大于0，以防焊缝叠加。节点焊接采用钢管相贯节点连接，焊缝为E50xx型，全熔透施工，钢管的连接焊缝标准不低于二级标准。采用T、Y、K 钢管相贯节点验算公式进行验算。

（2）本工程支座处汇交杆件多，为便于安装和保证焊接质量，在不影响建筑效果的前提下，将各支座均通过加劲肋向下移动，使支座中心和杆件中心不重合，产生的偏心距由支座加劲肋承担,建模计算时考虑此偏心。

（3）本工程由于每榀桁架支座平面内铰接，平面外刚接，连接板外侧按计算增加加劲肋。

（4）钢桁架上、下弦杆选用较大外径和壁厚的方钢管。从钢管节点的构造来保证弦杆外径大于腹杆外径，弦杆壁厚大于腹杆壁厚，避免了双节点的杆件搭接，保证了相贯焊接的质量。

7.结束语

（1）在大跨空间结构中采用空间管桁架是一种经济合理的结构形式。空间管桁架的自身刚度大，用钢量小，施工方便，可单榀制作,还能与其它形式桁架混合使用，适用于复杂多变的建筑形式，并具有明确的结构传力方式[3]。

（2）倒三角形空间桁架的稳定性相对较差，在满足建筑效果的情况下，要充分重视稳定性的分析。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。

（3）温度效应对大跨度结构有一定的影响，合理确定环境使用温度颇为重要。