某師范學院綜合訓練館型鋼桁架屋蓋結構設計

摘 要：該結構下部為混凝土框架結構，混凝土柱頂周圈設置混凝土框架梁，屋蓋為型鋼桁架結構，設計過程中采用同濟大學編制的3D3S鋼結構設計軟件進行結構分析，后用MIDAS結構計算軟件進行分析校核，本文簡要介紹該屋面型鋼桁架結構設計過程。

關鍵詞：型鋼桁架；上弦支撐

1 工程概述

本工程為某師范學院綜合訓練館屋面型鋼桁架結構，結構形式為混凝土框架結構+屋面型鋼桁架，桁架跨度為兩種：64.8m及58.8m。混凝土框架柱距為7.2m，長度為100.8m，混凝土柱頂標高為14.500～14.860m。屋面板為壓型鋼板加保溫棉輕質(zhì)屋面，屋面檁條間距1.5m，非懸掛馬道位置采用冷彎薄壁C型鋼檁條。

該桁架底部設置“E”字形馬道，采用高頻焊接H型鋼檁條與屋面桁架連接。

設計信息：

（1）設計荷載（標準值）：

屋面恒荷載：0.50kN/m2，下弦吊掛恒荷載：0.50kN/m2。

基本風壓：0.45kN/m2（地面粗糙度類別為B類），基本雪壓：0.40kN/m2。

抗震設防烈度為7度第二組，設計基本地震加速度值為0.15g，場地類別為三類。

（2）屋蓋結構形式為梯形型鋼桁架，HJ1跨度64.8m，HJ2跨度58.8m，桁架屋脊處高3.8m，屋面為雙坡屋面。

（3）該屋蓋桁架結構鋼材材質(zhì)為Q345B級鋼。

（4）鋼屋蓋桁架上弦平面布置圖（圖1）、下弦平面布置圖（圖2）如下：

2 結構形式選取

該工程屋面桁架為梯形桁架，構件截面規(guī)格主要為國標熱軋H型鋼，根據(jù)柱距7.2m以及桁架跨度要求，綜合選取桁架分格為3.6m，屋脊處桁架高度為3.8m，考慮混凝土柱頂安裝空間要求，桁架支座高度定為400mm；桁架采用上弦支承（鉸接支座）與底部混凝土框架柱可靠連接。

除主桁架外，次桁架采用國標熱軋H型鋼，支撐采用圓鋼管。

3 結構分析計算

該工程結構分析主要分為三個步驟：①屋蓋主桁架設計；②屋蓋次桁架設計；③屋蓋主次桁架與混凝土框架結構整體分析。

3.1 桁架部分

3.1.1 主桁架

型鋼桁架屋蓋結構采用同濟大學主持研發(fā)的3D3S計算軟件進行分析，桿件許用應力比控制在0.85，弦桿長細比限值150，主桁架跨中撓度限值按照鋼結構設計規(guī)范關于大跨空間結構（輕質(zhì)屋面）恒載及活荷載標準值作用下，撓度允許值取為跨度的1/250。

主桁架立面圖圖3所示。

3.1.2 次桁架

根據(jù)建筑及使用要求，該結構為上弦柱點支撐，所以次桁架的結構形式選取就顯得很重要，在整個計算過程中，采取兩種方案進行對比，試算次桁架結構形式對桁架整體受力的影響，并最終選定第二種方案。

（1）次桁架端腹桿為斜桿（以CHJ1為例）：

在該情況下，主次桁架整體受力接近于正交正放空間結構內(nèi)力，次桁架由于主桁架的變形影響產(chǎn)生了較大內(nèi)力，桿件軸力如下圖，支撐桿件、次桁架桿件內(nèi)力均較大，次桁架下弦桿最大軸力值達到1563kN，并且導致部分支撐桿件內(nèi)力較大，鋼結構連接節(jié)點設計難度增大，而且，作為一個屋蓋結構，該形式的桁架，傳力路徑不夠簡捷，不符合經(jīng)濟合理的設計原則，此時的支撐構件已并非單純的支撐構件，而是參與桁架整體受力的桿件，此時主桁架跨中最大豎向撓度值為191mm。

次桁架立面圖及桿件軸力包絡圖（圖4）如下（以CHJ1為例）：

（2）去掉次桁架端部斜腹桿，并增加次桁架端部下弦水平桿（以CHJ1為例）：

去掉次桁架的端部斜腹桿，并增加次桁架端部下弦水平桿后，整個桁架的受力體系更為明確，次桁架桿件內(nèi)力大為降低，次桁架上弦桿最大軸力值為-577kN，降幅較為明顯，調(diào)整后的方案更加有利于次桁架弦桿連接節(jié)點的設計，此時主桁架跨中最大豎向撓度值為186mm。

次桁架立面圖及桿件軸力包絡圖（圖5）如下（以CHJ1為例）：

綜合以上兩種方案，最終選定第二種次桁架方案，桿件內(nèi)力較小，且支撐桿件內(nèi)力也回歸正常，更利于次桁架桿件連接節(jié)點設計以及結構整體受力。

3.2 桁架及混凝土框架整體分析

同濟大學編制的3D3S計算分析軟件，可以進行混凝土柱彈簧剛度計算，較為準確的反應屋蓋桁架支座剛度值，將屋蓋桁架與混凝土框架梁柱整體進行計算分析后，再用MIDAS軟件進行復核，與3D3S軟件計算結果一致，滿足設計要求。

經(jīng)過復核，該屋蓋結構強度、剛度、穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

3.3 細部節(jié)點構造

該結構節(jié)點設計內(nèi)容主要有：①桁架橡膠支座；②桁架非橡膠支座；③桁架弦桿與腹桿連接節(jié)點；④主次桁架連接節(jié)點；⑤支撐與桁架連接節(jié)點等。

主要節(jié)點示意如下：

4 結 論

由于目前的民用建筑跨度越來越大，結構的外立面造型以及建筑使用要求也較為復雜，選擇合適的符合工程實際情況和建筑設計方案等綜合條件的結構形式，也顯得很重要，如該工程中關于屋蓋次桁架的兩種方案的分析對比就很好的詮釋了這個設計原則，因為結構形式的合理選取關系到結構整體受力體系是否合理，結構整體建造的經(jīng)濟指標要求是否滿足。

對于屋蓋與底部混凝土框架，進行整體分析時，首先，須注意兩者的材料強度及截面剛度的明顯區(qū)別，盡量做到優(yōu)化兩者的變形協(xié)調(diào)，整體分析可以較為準確的計算出桁架屋蓋的支座剛度，而非單獨計算屋蓋時的一個支座剛度預估值，從而確保結構的計算更加安全可靠；其次，結構計算假定要與結構的實際情況及節(jié)點做法相一致，做到設計經(jīng)濟合理；再次，鋼構件截面的設計與構件制作、安裝的關系密不可分，所以主、次桁架構件截面選取常用的國標熱軋型鋼截面，構件加工及采購周期均優(yōu)于焊接型鋼，在一定程度上節(jié)約了成本，并且滿足加工工藝和安裝工期等要求。

參考文獻

[1]GB50017-2003《鋼結構設計規(guī)范》.

[2]GB50011-2010《建筑抗震設計規(guī)范》.

[3]GB50009-2012《建筑結構荷載規(guī)范》.

[4]GB50661-2011《鋼結構焊接規(guī)范》.