某室內(nèi)水樂園大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設計

廖昉，馬悅，周鑫，梁濤

（1重慶城市綜合交通樞紐（集團）有限公司，重慶 400039；2中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400025）

1 工程概況

某工程位于貴州省畢節(jié)市赫章縣境內(nèi)，為溫泉大棚項目，主體結(jié)構(gòu)由大小兩個橢圓組成。由于溫泉大棚內(nèi)功能較復雜，需要開敞的大型無柱空間，且對天然采光照明等要求較高，故建筑選用現(xiàn)代風格，通透明亮，富有時代感與科技感，功能與形式完美結(jié)合。結(jié)合建筑設計概念，結(jié)構(gòu)形式采用了立體桁架體系，最大跨度61.5 m，結(jié)構(gòu)高度25.5 m，大棚內(nèi)為泳池設施和設備機房等，屬于A級高度的高層建筑，嵌固端為基礎頂面。該工程的建筑外觀如圖1所示，施工現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場施工圖（2018年5月）

該地區(qū)抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.45s。

基礎持力層為碎石土，埋深為4.3 m，地下水平均水頭為1.6m。為適應后期內(nèi)部設施改造要求，基礎采用整體筏板，普通位置為600mm厚，鋼結(jié)構(gòu)桁架柱腳處為1500mm厚。筏板基礎整體性好，基礎剛度大，由于頂部反壓了2.8m厚填土，故能同時滿足抗浮要求。

2 結(jié)構(gòu)設計分析

2.1 結(jié)構(gòu)布置

鋼結(jié)構(gòu)采用9榀倒三角立體主桁架單元，跨度從33.6 m至61.5m，每榀間距為15m，柱腳為固定鉸支座；腰部設置兩道環(huán)形桁架，分別設置在離地9.0m和16.0m高處，兩端設置斜向穩(wěn)定桁架與環(huán)形桁架相連；入口門廳空間桁架跨度為40.3m。大球及小球面位置次桁架為斜交平面桁架，以增加平面內(nèi)穩(wěn)定性；兩球相連的位置用三榀橫向桁架相連。結(jié)構(gòu)平面布置圖如圖3所示。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)屋面主結(jié)構(gòu)布置圖

主桁架主要尺寸為2m寬，根據(jù)跨度不同設置2～2.6m高倒三角形立體桁架，典型上弦桿截面尺寸為Φ351×20，典型下弦桿截面尺寸為Φ351×35，典型腹桿尺寸為Φ133×12。空間主桿件全部采用Q345B強度鋼管，結(jié)構(gòu)透視圖如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)透視圖

2.2 結(jié)構(gòu)模型的建立

為適應非線性建筑外形，傳統(tǒng)的根據(jù)建筑剖面的建模方式很難實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件完全貼合建筑表皮，且工作量大又容易出錯。根據(jù)筆者的多層探索，采用犀牛軟件對建筑表皮進行空間采樣，然后結(jié)合抽離出來的空間線段導入3D3S進行空間桁架建模。從圖4的結(jié)構(gòu)透視圖中可以看出，空間桁架的兩根上弦桿高度不同，導致局部構(gòu)件較為不規(guī)則，但這樣的建模方式能完全實現(xiàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件緊貼建筑外皮，達到建筑預期的效果。

3 主要結(jié)構(gòu)設計條件

3.1 風荷載取值

該工程處于高山地區(qū)，風荷載作為結(jié)構(gòu)設計的主要荷載，根據(jù)規(guī)范基本風壓0.35kN/m2（重現(xiàn)期100年），地面粗糙度類別B類。由于本建筑外形為非線性建筑，《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 5009-2012）[1]中不能查到準確的體形系數(shù)，為了更加準確地分析建筑表面的風壓分布，本文利用Transition-SST模型，結(jié)合顧磊、張默、黃瀅等[2-4]的應用經(jīng)驗，以工程軟件ANSYS分析了風荷載對結(jié)構(gòu)的影響。

該工程用犀牛曲面軟件擬合還原了建筑模型，通過導入ANSYS-Structural完成了風場范圍的建模和網(wǎng)格劃分工作。然后將模型及有限元網(wǎng)格導出為通用格式，在ANSYS-Fluent中定義了速度進口邊界條件Velocity-inlet和壓強出口邊界條件Pressure-outlet，編寫腳本文件導入了隨高度變化的入射風場，完成了該結(jié)構(gòu)的風荷載有限元分析。

當風荷載從建筑側(cè)向以90度角吹向結(jié)構(gòu)時，在出射方向的建筑側(cè)面產(chǎn)生了風吸。由于建筑整體高度不高，且周圍地勢平坦，所以在高度方向上的風速變化不明顯。該角度的風荷載風壓和風速云圖如圖5所示。

圖5 側(cè)向風荷載風壓和風速云圖

當風荷載從建筑正向以0度角吹向結(jié)構(gòu)時，經(jīng)過計算所得到的分析結(jié)果云圖如圖6所示。

圖6 正向風荷載風壓和風速云圖

從圖6中可以看到，建筑體型對風荷載的影響較為明顯。在鋼結(jié)構(gòu)最高處，風荷載的風速較大，應在設計荷載取值時予以體現(xiàn)。結(jié)構(gòu)在出射方向的風吸作用不明顯。迎風面為正壓，平均風壓在0.20～0.33kN/m2之間，風壓高度變化系數(shù)μz=1.39，計算分析小于規(guī)范。偏于安全考慮，采用規(guī)范值進行計算。采用前后左右四個方向輸入風吸和風壓，并與地震工況、溫度工況進行組合計算。

3.2 雪荷載取值

該工程為大跨度結(jié)構(gòu)，按荷載規(guī)范屬于對雪荷載敏感的建筑，基本雪壓按100年一遇取值，并考慮山區(qū)雪荷載系數(shù)后為0.3×1.2=0.36kN/m2。在建筑物表面的凹進區(qū)域，考慮不均勻分布情況雪荷載標準值為Sk=0.36×2.0=0.72kN/m2。雪荷載標準值分布示意圖如圖7所示。

圖7 雪荷載標準值分布示意圖

3.3 溫度作用

鋼結(jié)構(gòu)溫度計算以預計合攏溫度10℃為基準，根據(jù)我國規(guī)范，當?shù)刈畹蜑?4℃，最高為30℃，計算按照降溫-15℃和升溫30℃兩個工況參與進行組合計算。

3.4 地震作用

該工程設防烈度為6度，抗震設防分類為丙類，設計基本加速度為0.50g，地震影響系數(shù)最大值為0.04，場地類別為Ⅱ類，多遇地震下阻尼比取0.03。該工程定義了X向，Y向，Z（豎向）、斜交45度[5-6]。

4 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

在結(jié)構(gòu)分析時，采用了3D3S和SAP2000軟件分別進行了整體分析并進行對比。從計算結(jié)果可以看到，兩種軟件的計算結(jié)果接近。分析結(jié)果按恒載、活載、不利活荷載布置、風荷載、雪荷載、溫度荷載、地震作用進行組合，取不利結(jié)果進行后期設計。

4.1 周期及振型

第一階振型為短向平動，T1=1.27s，處于基本合理的范圍，第二階振型為長向平動，T2=1.05s，第三階振型為扭轉(zhuǎn)，Tt=0.85s，周期比為Tt/T1=0.67，從結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果可以看出結(jié)構(gòu)具有較好的抗扭剛度。結(jié)構(gòu)前兩階振型圖如圖8所示。

圖8 結(jié)構(gòu)前兩階振型圖

4.2 結(jié)構(gòu)變形

通過前期結(jié)構(gòu)布置分析發(fā)現(xiàn)，腰部的兩道桁架對結(jié)構(gòu)的整體剛度和各榀桁架的協(xié)調(diào)工作影響較大，經(jīng)過多次分析計算，將原方案中的三角形桁架優(yōu)化為矩形空間桁架，并增加了跨度較大的幾個桁架附近桿件的截面。在1.2恒載+1.4風荷載作用下，原方案結(jié)構(gòu)最大水平位移為231 mm，D/H=1/118（位移角），加強腰桁架后結(jié)構(gòu)最大水平位移為56 mm，D/H=1/486（位移角），滿足《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50017-2014）[7]要求。

結(jié)構(gòu)1.0在恒載+1.0活載工況下，最大豎向撓度為72.1 mm，出現(xiàn)在對大跨度主桁架中點位置，為對應跨度的1/852，滿足《空間網(wǎng)格技術規(guī)程》（JGJ 7-2010）[8]中的限制1/250。

結(jié)構(gòu)的變形分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)整體剛度合理。

4.3 線性屈曲分析

該工程為拱形桁架結(jié)構(gòu)，需要對結(jié)構(gòu)整體進行穩(wěn)定性分析，以保證結(jié)構(gòu)的安全。對3種典型工況進行了穩(wěn)定性分析。第一階失穩(wěn)的位置均出現(xiàn)平面次桁架位置，3個工況前6個屈曲模態(tài)都沒有出現(xiàn)主桁架失穩(wěn)的情況，具體屈曲特征值詳見表1。所有特征值均滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》中大于4.2的要求，證明結(jié)構(gòu)整體具有良好的穩(wěn)定性，在后期設計中考慮增加檁條提高次桁架的穩(wěn)定性。

表1 結(jié)構(gòu)整體屈曲分析結(jié)果

4.4 典型主桁架設計結(jié)果

通過計算發(fā)現(xiàn)，桁架兩端的桿件內(nèi)力明顯大于中間桿件。故將端部桿件截面加大，往上逐步減小桿件截面，有效經(jīng)濟地利用材料。結(jié)構(gòu)兩側(cè)桁架跨度較小，桿件內(nèi)力也較小，通過多次計算調(diào)整，反復調(diào)整桿件的截面。

典型主桁架桿件截面設計結(jié)果見表2。小震設計應力比限值取0.8，經(jīng)過驗算所有桿件均能滿足承載力和穩(wěn)定性要求。中震設計時支座桿件應力比控制在0.9以內(nèi)，滿足中震彈性性能目標。

表2 典型主桁架桿件截面

4.5 典型支座設計

支座設計時采用最不利組合包絡設計。取跨度為61.5m最大跨桁架的兩個典型支座反力進行分析，最大軸力Nz=3583kN，對應的荷載組合為1.2恒載+1.4活載+0.84升溫，最大水平方向反力為Ny=1311kN，對應的荷載組合為1.2恒載+0.98活載+0.84左風+1.4升溫。

主桁架支座采用抗震球形支座，支座按中震彈性進行設計。對球形支座增加了兩道22mm厚水平肋板和十字縱向肋板進行加強。主桁架支座均采用固定鉸支座，支撐在混凝土框架柱上，并設置剪力墻抵抗水平力。典型支座示意圖如圖9所示。

圖9 典型支座圖

5 結(jié)語

本文介紹了一處位于高山地區(qū)的非線性建筑大跨度鋼結(jié)構(gòu)設計過程，描述了非線性建筑的結(jié)構(gòu)建模方法，并且由于非線性建筑風荷載、雪荷載的取值沒有規(guī)范可以參照，本文重點提出了解決這種非線性建筑荷載取值的方法。結(jié)合風荷載、雪荷載及地震等作用的組合計算，對結(jié)構(gòu)的自振特性、結(jié)構(gòu)變形和線性屈曲等進行了驗算，有效地保證了結(jié)構(gòu)的整體安全。本文介紹的結(jié)構(gòu)分析方法對類似工程具有一定的指導作用。