沪渝高速公路仙桃服务区综合楼钢管桁架结构的设计与研究

李耀雄

一、工程概况

沪渝高速公路仙桃服务区综合楼为三层框架结构，屋面为一椭圆形曲面，长轴方向尺寸为78.4m，最大悬挑长度为16.7m，短轴方向尺寸为25m，最大悬挑长度为5.3m；正立面通过立柱悬挑，立柱高7.65米，悬挑高度3.15m，厚度0.4m，外端悬挑跨度30.5米；屋面与立柱悬挑部分通过一0.4m厚的双向曲面“飞跃”相连（如图1所示）。

图1 仙桃服务区综合楼效果图

二、钢管桁架的计算模型及结构布置方案

整个钢管桁架结构体系可分为以下三部分：（1）屋面桁架结构体系；（2）空间曲面连接桁架结构体系；（3）立柱悬挑桁架结构体系。钢管桁架整体结构布置图如图2所示。

图2 钢管桁架整体结构布置三维图

1.计算模型

结构的计算主要采用了同济大学编制的3D3S计算软件进行结构的静、动力分析、截面验算与优化设计，并采用美国CSI公司研制开发的通用软件SAP2000计算程序进行对比分析。本工程先采用sketchup软件及Autocad进行三维建模，确定主桁架的空间定位，然后通过主桁架的节点确定平面外的支撑弦杆位置。杆件之间的连接有铰支和固支连接两种，屋顶下部结构以及立柱悬挑桁架侧向支撑均为混凝土结构。

2.结构布置方案

根据结构体系的外形特征，经过多种方案比较，屋面、立柱部分以及连接段均采用钢管桁架结构体系，其承重主要由纵横两个方向的平面桁架组成，考虑到平面桁架平面外的稳定性，在桁架平面外均设有支撑弦杆。

（1）屋面桁架

在满足建筑屋面为椭球面的外形条件下，将横向桁架的上弦设计为圆弧，由于桁架支座距离不大（为8m），为节省钢材，在桁架支座之间将下弦设计成圆弧，悬挑段然为平段。

（2）空间连接桁架

空间连接桁架为连接屋面与立柱左悬挑端的一造型新颖独特的光滑曲面，曲面厚度450mm。该双向曲面桁架的上下弦均为圆弧（即弦杆上每点曲率相同）。

（3）立柱悬挑桁架

在立柱悬挑桁架结构体系中，桁架厚度与空间连接桁架一样，均为450mm，当该整体桁架平面外无侧向支撑时，悬挑端头计算位移过大，无法满足设计要求，为此，在水平桁架中部设置铰接支撑，与主体钢筋混凝土结构相连，每隔约2.5m设置一支撑点，该相连处设计为钢结构雨棚。

三、荷载与作用

建筑结构安全等级为二级，设计使用年限为50年，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，抗震设防重要性分类为丙类建筑。基本风压为0.5kN/m2，基本雪压为0.5kN/m2。建筑物场地类别为三类。

1.恒荷载与活荷载

在计算模型中，恒载取值时屋面内外侧考虑了装修荷载、悬挑处吊顶荷载以及焊缝重量对钢结构自重的影响。此外，屋面维修活荷载与雪荷载不同时发生。

2.温度荷载

在进行钢管桁架整体计算时，将结构主体桁架合拢时的温度作为结构的初始温度（也称安装标准温度）。在确定结构的合龙温度时，笔者首先考虑了当地的温度气象条件，并应使该温度比较接近年平均气温，有利于合龙施工，其次考虑施工进度计划与可能出现的变化情况，预留一定的允许温度偏差范围。

3.荷载工况组合

荷载组合考虑了非抗震设计时的荷载工况组合以及抗震设计时的荷载工况。桁架体系的活荷载布置考虑了活荷载布置的不利影响，并考虑了风向的不同作用对结构的影响。

四、构件截面设计

1.构件材料、桁架节点设计

本工程均采用无缝钢管，每榀主桁架上弦及下弦主管为连续管，弦杆与主管铰接连接，圆钢管的连接采用相贯节点连接，相贯节点的设计根据规范要求，应验算节点处焊缝的强度，以及支管的节点处承载力的验算。节点设计的一般要求：

（1）上下弦主管应连续, 支管端部相贯焊接于主管上，支管端部相贯面切割应采用五维或六维相贯线自动切割机切割成带变化剖口的与主管外表面完全吻合的空间曲线形状, 直接焊接于主管外壁上。

（2）主管与支管之间的夹角以及支管间的夹角不应小于 30°。相贯节点各杆件的轴心线应尽可能交于一点, 避免偏心, 如果无法避免, 当偏心距小于主管的直径的 1/4 时可不考虑对节点承载力的影响。

（3）支管端部应与主管接触良好, 不得有局部空隙。

2.构件的截面选取原则

设计综合考虑结构类型、节点构造等多种因素，遵循了以下原则：

从节点强度的观点看，应优先选用管壁较薄的弦杆。

受压弦管要求具有最大的回转半径，减小压杆长细比λ，故选用直径大而壁薄的钢管，因而弦杆具有较大的出平面外惯性矩，使桁架在平面外具有最大的稳定性。

对于有间隙的节点，应尽量使斜腹杆对弦杆有最大的宽度比。为此，使弦杆的侧向尺寸保持最小，同样，其腹杆亦应采用直径大而壁薄、而不采用直径小而壁厚的钢管。

按《空间网格结构技术规程》，上弦或下弦杆件当其内力分布较大时，将会造成沿受力方向相邻杆件规格过于悬殊，而造成杆件截面刚度的突变，故从构造考虑，其受力方向相连续的杆件截面面积之比不宜超过1.8倍。

五、构件应力比限值与优化设计

在进行整体结构计算时，在满足构件满足长细比要求的同时，所有构件的控制应力比不大于0.8。考虑相贯节点的不均匀焊接及非节点荷载的影响，桁架次结构的控制应力比在0.5～0.8，主桁架控制应力比在0.6～0.8范围内变化。

六、结论

（1）在仙桃服务区综合楼钢管桁架结构的设计中，在保证建筑外形美观的前提下，整体桁架结构采用平面管桁架结构体系，钢管之间直接相贯焊接，使钢管之间的连接简洁明了。屋盖支座板式橡胶板垫块，能较好地适应轻质屋面材料屋盖结构对温度变形的影响。

（2）在空间连接桁架结构体系中，由于该空间曲面为非圆球面，如何纵横剖切该曲面，使得两方向的平面桁架的上下弦均为圆上的一段弧（即具有相同曲率），笔者结合建筑空间曲面的形成原理，建立该曲面的三维坐标方程及极坐标方程，得出了正确的剖切方向。该剖切方向的确定，解决了空间各节点的定位、施工图的绘制以及工厂如何加工安装该双向桁架的难题。

（3）在立柱立柱悬挑桁架结构体系中，由于立柱悬挑较大，且向内侧倾斜，悬挑端头计算位移过大，无法满足设计要求，为此，在水平桁架中部设置铰接支撑，与主体钢筋混凝土结构相连，该相连处设计为钢结构雨棚，这样既解决了立柱悬挑桁架的位移与安全问题，对建筑立面也无影响。