某展示中心異形空間桁架結構設計分析

張 飛 （安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概況

本工程為煤化工基地展示中心，地上1層，建筑平面尺寸48.2m×45.3m，最大高度為18.167m，空間體型異形。因建筑功能需求，展示中心內部局部設置會議室及辦公室等功能，地上2層，地下1層。展示中心采用空間桁架結構，內部用房采用鋼框架結構，兩者設抗震縫脫開，按兩個獨立結構單元設計。基礎及地下室部分按整體模型進行設計。本工程抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，多遇地震下水平影響系數最大值為0.04。設計地震分組為第三組，場地類別II類，特征周期為0.45s[1]。根據《建筑抗震設計規范》（GB50211-2010）[1]第8.1.3條，本工程空間桁架抗震等級為四級。

圖1 建筑東南軸測圖

圖1為展示中心建筑整體三維圖，建筑取意鉆石，與展示產品相呼應，通過形體的切割，力圖讓建筑更加富有雕塑感和立體感。建筑要求內部無柱，外立面簡潔通透，經與建筑協商后，結構方案選用空間桁架體系。

2 網格模型劃分

由于本工程建筑體型異形，常規設計軟件無法直接生成結構模型，因此本工程一個難點在于空間模型的建立。本工程建筑形體雖異形，但是為若干空間平面組成，非空間曲面，可先通過計算機輔助設計三維CAD軟件進行網格劃分，再將劃分后的CAD網格模型導入設計軟件，賦予桿件屬性再進行計算。

本工程橫向與縱向平面尺寸較為接近，故采用雙向正交桁架體系。因縱向尺寸相對較小，縱向桁架為主桁架，沿橫向共計4榀，桁架間距為12m。橫向桁架為次桁架，沿縱向共計3榀，桁架間距12m。主、次桁架節間距離為3m，桁架高度2.5m。為增強結構整體剛度，在屋蓋頂部四周設置邊桁架。

結構網格模型建立步驟如下：①根據建筑提供的外輪廓條件建立實體單元模型；②在桁架弦桿所在位置采用豎直空間面切割實體單體單元，提取實體單元邊線得到弦桿網格；③連接上、下弦桿節間節點形成斜腹桿網格；④相同方法，切割實體單體單元得到屋面及墻面次梁網格，依次按上述步驟可完成結構網格模型建立。圖2和圖3分別為CAD網格劃分的結構桁架平面布置圖與主桁架1西南軸測圖。

3 計算模型與荷載取值

3.1 計算模型

本工程有限元軟件MIDAS/GEN進行設計，鋼材材質采用Q345B，桿件截面均采用各向等強度的圓管，桿件采用梁單元進行模擬。桁架上弦、下弦桿截面為 φ325x12，斜腹桿主要截面為φ140x4.5，次梁截面為φ273x10，根據《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[2]第5.1.5條，除能保持貫通的弦桿外，斜腹桿端部定義為鉸接節點。

3.2 荷載取值

①恒載：屋面及墻面建筑材質為玻璃或者金屬面層，屋面及墻面恒載取值1.5kN/m2。

圖2 桁架平面布置圖

圖3 主桁架1西南軸測圖

②活荷載：不上人屋面，活荷載為0.5kN/m2。

③風荷載：因建筑體型異形，荷載規范無此類建筑風荷載體型系數規定，故本工程進行了風洞試驗，風荷載取值按本工程風致響應分析報告取值。

④雪荷載：按該地區100基本雪壓取值，0.45kN/m2。

⑤溫度作用：升溫及降溫工況分別取正負25℃。

⑥地震作用：抗震設防烈度為6度，水平影響系數最大值為0.04，設計地震分組為第三組，場地類別II類，特征周期為0.45s。結構阻尼比為0.02。

荷載組合按《建筑結構荷載規范》[3]、《建筑結構可靠性統一標準》[4]等規范要求進行組合。

4 受力性能分析

4.1 自振特性分析

結構的動力響應不僅與動荷載激勵的性質有關，而且與結構本身的動力特性密切相關，即結構的振動頻率和振型。表1為結構前六階自振頻率及周期分布情況。

前三階振型如圖4所示。

圖4 前3階振型圖

由圖4可知，第一振型表現為X向整體水平振動；第二階振型為Y向整體水平振動；第三階振型呈現墻面次梁局部振動。

根據上述分析可得，本工程結構體系采用雙向正交桁架加屋蓋四周邊桁架，結構整體豎向剛度和抗扭剛度大，結構前六階振型中未出現屋蓋豎向振動和扭轉振動。

4.2 靜力分析

前六階自振頻率及周期 表1

“強度應力比”統計結果表 表2

標準組合（1.0恒+1.0活）下，結構最大豎向位移為70.2mm，滿足《空間網格結構技術規程》[5]表3.5.1對立體桁架結構撓度容許值1/250的要求。

根據計算分析模型，進行規范檢驗，檢驗結果表明，結構能夠滿足承載力計算要求，應力比最大值為0.85，表2為構件“強度應力比”統計結果表。

4.3 穩定性分析

線性屈曲分析第一階線性屈曲模態荷載因子為42.4，屈曲形態為位于主桁架2立柱側向失穩。考慮初始缺陷后，更新模型，進行結構非線性穩定分析，在1.0D+1.L(恒+活)工況下，結構安全系數為17.0，滿足《空間網格結構技術規程》[5]4.3.4條最小值4.2的要求。

5 結論

本文以某展示中心實際工程為例，對異形空間桁架結構的建模、計算和分析進行完整介紹和分析，結構各項計算指標均滿足規范要求，可對類似工程設計提供參考。