論大跨度體育館桁架的設計

摘 要：在當今的鋼結構建筑屋蓋體系中，鋼結構桁架的結構支撐體系成為眾多大跨度體院館設計建造的主要形式。大跨度體育館有著得天獨厚的優(yōu)勢，其不但桁架結構線條流暢、安全實用、外形豐富，而且在人員數(shù)量容納和采光、通風等方面作用顯著，因此本文旨在通過對這種設計結構進行簡要的分析，以達到進一步認識鋼結構管桁架技術的目的。

關鍵詞：大跨度體育館；鋼桁架；結構設計；內(nèi)力；桿件；抗震性能

鋼結構自身的重量小、強度高，可塑性和柔韌性都較強的特點，使其成為公認的具有良好性能的結構，而且以桁架為代表的鋼結構被廣泛應用到空間結構體系中，尤其是跨度較大，標高較高的大型場館，空間鋼結構管桁架設計作為其屋蓋結構發(fā)揮著很多的優(yōu)點。

1 管桁架結構的分類

大量的建筑工程實踐證明：大跨度桁架結構的運用一方面滿足了建筑的基本原則和要求，另一方面也與最新的設計理念相吻合。伴隨著建筑業(yè)的不斷深化與發(fā)展，出現(xiàn)了許多類似跨度大、空間形狀相對復雜多變的鋼結構的建筑，而且在形式方面也日漸新穎。

桁架根據(jù)桿件布置的不同以及受力方式的差異，一般分為平面和空間兩種結構形式。平面桁架是指上、下弦以及腹桿全部處于同一平面，而空間桁架結構的上、下弦同腹桿通常處在一個三角形截面上。一般說來，前者的外部剛度較差，而后者的結構跨度大、穩(wěn)定性高，外觀通常也比較富有美感，因此被采用的較多。另外，對于管桁架的連接件桿件截面的種類，一般常用的為圓形、正方以及長方形，選擇不同圖形的截面相應的桁架類型也有所不同。

2 大跨度桁架結構的受力分析及結構設計

大跨度桁架結構的受力分析及計算是鋼結構屋蓋體系中的重點和難點，因此無論是受力分析還是結構設計，都需要借助專業(yè)計算軟件的力量來達到事半功倍的效果。

2.1 計算軟件的選擇

大跨度桁架結構的設計一般使用同濟大學的3D3S軟件，同時還采用有限元軟件Sap2000進行校核。3D3S可方便輸入單元、節(jié)點、局部單元荷載，各種工況荷載都可以通過導荷載的方式由面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載，風荷載可自動考慮風壓高度變化系數(shù)、風振系數(shù)；可套用多種規(guī)范進行驗算，特有同一模型中對不同的單元采用不同的控制參數(shù)功能；可方便輸出模型以及每一單元在各工況、組合下的內(nèi)力、位移、應力比圖，因此，工程中最常使用計算軟件為3D3S。同時，采用Sap2000對結構整體分析，可得到桿件最不利內(nèi)力及結構最大變形。

2.2 受力分析

在大跨度體育館桁架結構的設計中，傳統(tǒng)的開口截面（如H型鋼和I字鋼）應用的很多，但相比較來講，尤以管狀的桁架更為常見，因此本論文在講述桁架結構的受力特點和計算規(guī)則時，主要是以管狀的桁架為例。管桁架，是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格構式結構。

通過建模分析以及荷載的組合分配，理論上將大跨度體育館桁架的荷載分為永久荷載與可變活荷載兩類。前者主要指承重結構的自重（包括桿件及節(jié)點的自重）、屋面板及檁條的自重、馬道、吊掛燈具及其他設備的自重，一般按從屬面積折算荷載值；后者主要是一些不確定的載荷，如風荷載、雪荷載、上人屋面的荷載，甚至是地震荷載等作用在屋蓋上的“可動力”。

管桁架結構的計算要滿足基本的規(guī)定：管桁架結構應進行重力荷載及風荷載作用下的內(nèi)力、位移計算以及整體的穩(wěn)定性驗算，并應根據(jù)實際情況，對地震、溫差變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下產(chǎn)生的位移與內(nèi)力進行計算。其中，內(nèi)力和位移可按彈性理論，采用空間桿系的有限元方法進行計算。外荷載可按靜力等效原則將節(jié)點所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在該節(jié)點上。結構分析時，應考慮上部空間網(wǎng)格結構于下部支承結構的相互影響；另外應根據(jù)結構形式、支座節(jié)點的位置、數(shù)量和構造情況以及支承結構的剛度，確定合理的邊界約束條件。

當然，受力分析的重點是桁架的節(jié)點處。統(tǒng)籌的講，桁架的相貫節(jié)點有K型、T型、馬鞍加強型（具體如圖1所示），也需要對節(jié)點的受力形式及連接形式進行計算。

2.3 結構設計優(yōu)化

追求永無止境，成功的設計是在保證安全、設計質(zhì)量、規(guī)范要求等的前提下，盡可能地采用3D3S等結構設計軟件對桿件、節(jié)點進行對比分析，改善結構布局，運用新工藝、新材料、新技術、新設備來不斷地優(yōu)化整個結構，以期達到經(jīng)濟性和實用性的推廣作用。

3 大跨度桁架結構的強度和穩(wěn)定性設計

3.1 抗風荷載作用的構造設計

對于大跨度的輕型屋蓋來講，風荷載的作用是影響結構穩(wěn)定的重要因素。大跨度體育館都要求內(nèi)部空間的寬廣，而這勢必就造成屋蓋在風的吸力作用下被掀起，因此大跨度桁架結構的設計要充分考慮整個結構的抗風系數(shù)和抗風能力。大跨度結構受力復雜，質(zhì)量較輕、阻尼較小，處于湍流度高的低矮大氣邊界層中，導致負壓作用明顯，如屋面轉(zhuǎn)角、邊緣和屋脊等部位。另外，這些部位的壓力波動往往較大，甚至有可能產(chǎn)生交變力的作用，因此這些部位容易成為大跨度屋蓋結構在強風破壞中首當其沖，對風災后大跨度屋蓋房屋破壞情況的實地調(diào)查資料也充分證實了這一點。

對于大跨度屋蓋結構的抗風問題，除了應對結構進行合理的抗風荷載設計以保證結構主體的強度以外，還需要針對桁架結構的薄弱部位和薄弱環(huán)節(jié)采取有效的抗風結構構造設計，用來加強結構各構件之間的整體性。一般來講，體育館中大跨度桁架結構的抗風構造設計從下列三個方面考慮：①加強屋蓋系統(tǒng)自身的連接和整體性；②加強屋蓋系統(tǒng)與其承重墻（柱）體的連接；③加強桁架各個節(jié)點的連接形式。

3.2 桁架的抗震性能設計

地震是地殼運動時地表產(chǎn)生的一系列縱向和橫向顫動。根據(jù)規(guī)范，凡屬劇場、體育館等大跨度公共建筑，其抗震措施按設防烈度均應選用8度設防，而且多采用時程分析進行補充計算。

采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于兩組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應與振形分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。當采用振形分解反應譜法進行體育館大跨度桁架結構的地震作用分析時，要取前30個振形，而且對體形特別復雜或重要的需要取更多振形進行效應組合。在抗震分析時，應考慮支承體系對其受力的影響，此時可將桁架結構與支承體系同時考慮，按整體分析模型進行計算，其中的地震作用效應分析的阻尼比可以根據(jù)不同的情況參照下表。

參考文獻

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