酒店大堂空間桁架結構設計及分析

王　利　中國成達工程有限公司　成都　610041梁煥新　成都大學城鄉(xiāng)建設學院　成都　610106

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酒店大堂空間桁架結構設計及分析

王利*中國成達工程有限公司成都610041梁煥新成都大學城鄉(xiāng)建設學院成都610106

摘要某酒店大堂為單層大跨門式空間結構,主體結構為三角形鋼管桁架形式, 弦桿和腹桿為焊接直縫鋼管。采用MIDAS/Gen軟件, 對結構在各主要荷載組合工況下的受力進行了分析, 對計算結果進行優(yōu)化設計，并分析了結構的幾何非線性和動力特性。恒載、最不利活荷載和風荷載組合為結構的最不利工況，該酒店大堂結構受力合理, 結構的可靠性、穩(wěn)定性均滿足要求，可供類似工程參考。

關鍵詞大跨度結構空間桁架 溫度應力滑動節(jié)點幾何非線性

*王利：國家一級注冊結構工程師，高級工程師。2005年畢業(yè)于北京工業(yè)大學結構工程專業(yè)獲工學碩士學位。主要從事結構設計及技術管理工作。聯系電話：(028)65531354，Email：wangli1354@chengda.com。

近10年來，隨著我國經濟的發(fā)展和科學技術的不斷進步，大跨度空間鋼結構相應進入了一個蓬勃發(fā)展的時期，空間鋼管桁架結構作為大跨空間結構的一個分支，已大量應用到各大工程中，空間管桁架結構有其自身優(yōu)點，主要是利用鋼管的優(yōu)越受力性能和美觀的外部造型構成獨特的結構體系，滿足鋼結構的最新設計概念：鋼管截面各向等強度，抗扭剛度大，受彎無弱軸，承載能力高，端頭封閉后抗腐蝕性能好，整體簡潔，輕巧美觀，視覺效果好，易于清潔等。因此鋼管結構不僅在海洋工程、橋梁工程、塔桅工程中都得到了廣泛的應用，在民用建筑中的應用也日益廣泛。

1工程概況

該項目位于拉薩市郊，毗鄰西藏大學新校區(qū)，拉薩河岸邊，正對布達拉宮，是拉薩市級別最高的酒店。該項目4棟酒店共用一個大堂，大堂為單層建筑，根據功能分為：大堂入口及接待中心，商業(yè)及游泳中心兩部分。平面尺寸244m×85m，其中大堂入口及接待中心為三角形，檐口高度10m，頂點高45m；商業(yè)及游泳中心檐口高度25m，頂點高33m，建筑立面見圖1。

建筑要求達到全通透視覺效果，屋面、墻面采用雙層真空隔熱玻璃，屋面玻璃通過龍骨放置于矩形鋼管檁條上，并增加玻璃肋板保證真空玻璃的平面剛度，墻面玻璃為點吸式連接到墻面檁條上。工程設計使用年限為50年,建筑結構的安全等級為二級, 結構構件的重要性系數取1.0, 建筑的耐火等級為二級。

圖1　建筑立面

2結構布置及選型

為實現建筑效果，屋面盡量少布置桿件，經過多種方案比較和分析，最終確定大堂結構采用倒三角形門式空間管桁架結構。鋼材全部采用Q345B，以焊接直縫鋼管為主，配合少量熱軋無縫鋼管。每榀桁架中心間距18m，凈距15m，桁架節(jié)間距3m，屋面檁條間距3m，檁條放置于桁架上弦節(jié)點上，在檐口高度與三角形桁架屋脊高度處設置封口桁架，傳遞水平作用力，其結構平面布置見圖2。

商業(yè)及游泳中心采用管桁架1結構形式：雙坡排水弧形屋面，矢高8m，見圖3。格構柱尺寸3m×3m，上、下弦桿等截面，腹桿根據受力大小、位置不同截面大小不同；桁架梁尺寸3m×4m(寬×高)，上、下弦桿，腹桿根據受力大小、位置不同截面大小不同。

圖2　結構平面布置

圖3　管桁架1

大堂入口及接待中心采用管桁架2結構形式：雙坡排水斜屋面，見圖4。格構柱尺寸3m×3m，上、下弦桿等截面，腹桿根據受力大小、位置不同截面大小不同；桁架梁尺寸3m×3m(寬×高)，上、下弦桿，腹桿根據受力大小、位置不同截面大小不同。

圖4　管桁架2

為避免球節(jié)點對整體視覺效果的影響，連接方式采用空間相貫鏈接節(jié)點，見圖5。對于桁架下弦與格構柱連接節(jié)點(柱頂節(jié)點一)，因桿件多，受力大，同時也是最重要的連接點，弦桿之間的連接焊縫質量等級為一級，100%探傷，保證焊縫質量，同時為增加局部穩(wěn)定性能，節(jié)點區(qū)域內部還灌滿C30細石混凝土。

圖5　桁架相貫節(jié)點

由于大堂外殼為連體結構，總長244m，屬于超長結構，必須考慮溫度應力的影響，為了減小由于溫度因素引起的應力，并適應大跨度屋面溫度變形的要求, 在結構縱向中部，檁條與鋼桁架連接采用滑動節(jié)點連接(滑動節(jié)點位置見圖2)，其他部位檁條采用焊接方式與桁架上弦連接。

該工程的耐火設計：主體管桁架結構耐火極限取2.5h。

3結構計算分析

3.1結算模型及基本假定

采用通用有限元計算軟件MIDAS/GEN Ver.780建模，計算分析,柱腳采用剛性外包式柱腳。每個腹桿劃分為一個桁架單元, 弦桿則在每個節(jié)間劃分為一個梁單元。檁條為箱形截面，劃分為梁單元，與桁架上弦鉸接連接，在中間滑動節(jié)點處釋放Y向位移約束，減小由于溫度變化引起的應力。單元在每個節(jié)點上有六個自由度, 材料的彈性模量Es = 2.06×105N/mm2, 泊松比μ= 0.3, 材料的屈服強度為345MPa。計算模型見圖6。

圖6　3D空間模型

3.2計算參數

3.2.1荷載標準值

(1)靜荷載標準值：屋面板自重為0.5kN/ m2, 檁條及鋼桁架自重程序自動計算，其它外加荷載0.1kN/ m2, 且單點吊重不大于10kN。

(2)活荷載：屋面活荷載標準值為0.30kN/ m2。

(3)溫度差：±15℃( 結構施工安裝時的溫度與使用過程中溫度的最大差值)。

(4)風荷載：0.3kN/ m2，在進結構計算時, 體型系數根據《建筑結構荷載規(guī)范》確定。風振系數取1.5。

(5) 地震作用：地震烈度：8度；地震加速度：0.2g，第二組。

(6) 場地類別：Ⅱ類，設計特征周期：0.40s。

3.2.2荷載組合

根據《鋼結構設計規(guī)范》及《建筑結構荷載規(guī)范》要求，共采用52種荷載組合，同時還有3種內力包絡圖工況，控制荷載組合為：sLCB13 和 sLCB2，最終設計依據包絡圖工況進行。

3.3優(yōu)化分析及靜力計算結果

3.3.1優(yōu)化設計

門式空間桁架結構設計主要影響參數：矢高、桁架尺寸、格構柱尺寸、桁架凈距。為實現結構安全可靠且經濟合理，在滿足建筑要求的條件下，對門式空間桁架結構主要設計參數中的矢高和桁架高度參數進行優(yōu)化分析，根據建筑功能要求及計算分析，格構柱尺寸統一為3m×3m，立體桁架梁的寬度定為3m，桁架間距為18m，矢高：根據該結構特點，矢高過小結構撓度位移很難滿足規(guī)范要求，矢高過大，則會產生很大的水平推力，同時建筑要求盡量控制弧形屋面的曲率，最終確認采用5m和8m來進行優(yōu)化設計；桁架高度：滿足結構受力和變形要求，根據經驗及構造要求，桁架高度取值為3m、3.5m、4m和5m。分別對6種結構方案進行了計算分析，用鋼量計算結果見表1。

表1　不同方案用鋼量計算結果

總用鋼量包含檁條重量，6種方案中檁條重量相同，因此用鋼量的差別即為門式空間桁架的重量差別。通過對比分析，Sch 6能夠得到較好的經濟指標，為相對最優(yōu)方案。

3.3.2靜力計算結果

由于結構構件較多，僅按照截面類型給出最大內力計算結果，結構的桿件應力為各種組合工況下的最大應力結果，構件設計驗算結果見圖7。從驗算結果看出, 構件的強度滿足要求。撓度為恒載和活荷載標準組合下X、Y、Z三向的最大位移，形狀見圖8，X向最大位移：32.98mm；Y向最大位移：34.22mm；Z向最大位移：152.1mm。《鋼結構設計規(guī)范》及《空間網格結構技術規(guī)程》中對于大跨度屋蓋結構及立體桁架的撓跨比規(guī)定為1/250,側向位移按照檐口高度的h/400控制，因此結構的撓跨和位移皆滿足規(guī)范的要求。

目前，對于該結構形式的設計，國內相關的設計經驗很少，且結構安全等級為一級，8度設防，為滿足安全可靠性，采用了各種組合情況下最大內力包絡圖狀態(tài)構件的內力值作為結構設計的依據。 在此工況下,立體桁架梁的下弦桿與格構柱連接節(jié)點處受力最大, 上弦桿在兩端最大，其次是中心處受力較大,1/4跨處最小，腹桿的受力在支座附近比較大, 在跨中較小。

圖7　構件設計驗算結果界面

圖8　3D位移計算結果形狀

3.4結構的整體穩(wěn)定性分析

3.4.1結構特征值屈曲分析

通過MIDAS/Gen軟件, 采用子空間法進行計算得到屈曲荷載系數為26.89, 不同模態(tài)特征值屈曲分析結果見表2。

表2　特征值屈曲分析結果

特征值屈曲分析得到的是屈曲荷載的上限, 特征值屈曲的初階屈曲模態(tài)的形狀可以作為施加初始缺陷或擾動的依據。

3.4.2結構非線性屈曲分析

通過MIDAS/GEN軟件, 采用弧長法對結構進行非線性屈曲分析。結構的初始缺陷是將特征值屈曲分析的第一階屈曲模態(tài)作為初始缺陷的分布模態(tài), 并對初始模態(tài)最大值進行調整，初始缺陷最大值取跨度的1/300。經計算得到結構的荷載位移曲線見圖9。根據第一模態(tài)失穩(wěn)位置可以看出, 結構發(fā)生的是分支點失穩(wěn),失穩(wěn)系數為μ=24.497(μ大于5.0機滿足要求)，參照MIDAS技術說明，失穩(wěn)系數僅為可變載的放大系數，因此結構發(fā)生失穩(wěn)破壞時的荷載標準值為DL+24.497LL=8.1kN/m2。因此,結構的穩(wěn)定性滿足要求。經計算結構中壓桿的整體穩(wěn)定滿足要求。

圖9　非線性屈曲分析結果

3.5結構的動力特性分析

3.5.1模態(tài)分析

將屋面的恒荷載轉化為結構的等效質量, 把等效質量單元加到模型的節(jié)點上, 利用Block Lanczos 方法對計算模型進行模態(tài)分析，表3給出了6個振型的自振周期。

表3　周期、振型及質量參與系數分析結果

3.5.2地震反應譜分析

該結構的抗震設防烈度為8度, 場地類別為Ⅱ類,場地固有周期為0.40s。結構的阻尼比取0.02, 地震影響系數αmax=0.16。根據以上參數, 按抗震規(guī)范[ 4]的規(guī)定計算了此情況下的地震影響系數曲線, 考慮三維地震反應，輸入X、Y和Z方向的地震加速度。由于結構跨度、體型較大，桿件數量多，高頻振型密集，通過計算得知，直到60個振型才滿足抗震規(guī)范要求的質量參與系數。三個方地震質量參與系數分別為：X-91.1%；Y-90.83%；Z-90.05%。表3為前5階和第60階振型和周期。

根據計算結果，第2～4振型都有較大豎向振動參與系數, 結構變形主要集中在跨中附近。由于結構的跨度較大, 平面外剛度相對較小, 故豎向位移振幅相對較大，圖10給出1、2、3和5振型圖。

4結語

目前該建筑已通過竣工驗收，并投入使用，結構輕巧而美觀，見圖11。

圖11　結構主體安裝竣工后效果

(1) 對于門式空間桁架結構，合理的選擇桁架矢高和自身的尺寸能夠有效地控制結構用鋼量，降低項目投資，取得良好的使用和經濟效果。建議，矢高取短向跨度L的(1/15～1/8)，跨度大者取大值，立體桁架的高度取短向跨度L的(1/30～1/20)，跨度大者取大值，立體桁架的寬度取其高度的(1/3～1/1)，同時考慮結構的柱網間距確定。取值參數也可以參考《空間結構》中建議取值方法。

(2) 結構計算表明： 恒載、最不利活荷載和風載組合工況為結構的最不利工況, 可作為設計的依據，安全起見，也可采用內力包絡圖作為設計依據，在此2種工況下結構的強度和整體穩(wěn)定性均滿足要求。地震荷載對結構的設計不起控制作用。

(3) 通過結構的穩(wěn)定性計算可知： 該空間鋼管結構的失穩(wěn)為分支點失穩(wěn), 添加了初始缺陷后, 促進結構的失穩(wěn)。由于該立體桁架空間相互作用明顯，有較高的穩(wěn)定承載力，根據計算結果可知，該結構對初始缺陷不太敏感。通過計算，結構的穩(wěn)定性滿足規(guī)范的要求。

(4) 通過結構的動力特性分析可知: 結構的基本自振周期較長，前3個周期衰減尚可，但以后的高頻振型很密集，要計算很多振型才能滿足抗震計算要求，除第一振型沿縱向平動外，其它振型都是X、Y和Z三向同時參與，總體豎向剛度相對較小，撓度較大。通過地震反應譜分析可以判斷結構的主要振動形式，并根據分析情況可以進行地震作用力的計算。

參考文獻

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5董石麟等. 空間結構[M] . 中國計劃出版社.

(收稿日期2015-08-26)