大跨度采光頂鋼結構設計

1.工程概況

無錫八佰伴項目位于無錫繁華商業街區，地處中山路與學前東路十字交匯處，是江蘇省內和長三角地區極具競爭力和影響力的百貨購物商場。八佰伴商場由A 幢樓、B 幢樓和連廊組成，北邊為B幢，南邊為A幢，西邊為鋼結構連廊。A 幢為原有老樓房，B 幢為拆除新建建筑，A幢、B幢均為8層；鋼連廊為七層。A幢、B 幢和連廊三部分在中間圍成一個直角梯形的共享空間，貫通1-8 層。連廊和共享空間的頂面即為本工程玻璃采光頂屋蓋部分，整個玻璃采光頂平面呈直角梯形，內口寬12.3m、外口寬27.9m、直角邊長42.8m，最高點標高為45.250m，兩邊建筑找坡3%，集中排水。采光頂內部在鋼結構施工完成后，在主桁架外側和底面用紙面石膏板進行效果裝飾；次桁架用紙面石膏板包裹做成裝飾梁。

采光頂采用鋼結構主次桁架的結構形式，主桁架為倒直角三角形空間桁架，跨度42.8m，次桁架為平面桁架，跨度分別為10.9m、13.85m、16.78m、19.95m、23m 不等。主桁架連接在新建B 幢的梁、柱上，次桁架一端連在B 幢上，另一端連在主桁架上，鉸接連接，主次桁架頂面平。

2.屋蓋鋼結構體系

由于本工程為改造工程，依據業主要求，不允許在A 幢結構上增加荷載，經多種方案比較，采光頂屋面決定采用桁架結構體系，其結構主要由主次桁架、屋蓋支撐體系以及鋼檁條組成[1]。在軸線的位置布置主桁架，為兩跨連續的倒三角形截面鋼管桁架，其跨度分別為34.4m、8.4m,里端支承于鋼筋混凝土梁上，外端支承于鋼骨混凝土柱上。在、軸及以東位置依次布置次桁架，一端與B 幢第8 層的砼梁連接，一端與主桁架上弦相連。在次桁架上弦之間平行于軸布置采光頂檁條。次桁架HJ-5、6 的上下弦分別布置上弦支撐和下弦支撐以及垂直支撐系統，以保證整個結構系統的整體穩定性。結構布置見圖1。

圖1 桁架上弦結構平面布置圖

由于主桁架右側的A 幢結構依據業主要求不允許有外荷載作用，且主桁架離A 幢邊緣距離僅為2.6m，通過方案比較認為，一方面主桁架截面為尖角朝下的倒直角三角形的空間桁架形式，能比較好地解決軸線以右，靠近A 幢的采光頂的荷載傳遞問題。另一方面主桁架各部分的功能不盡相同，豎向的直角邊所在的平面內的桁架片由于承受整個桁架主要的荷載，叫（主桁架的）主桁架片，水平直角邊所在平面內的桁架承受主桁架兩側圍護結構傳來的水平風荷載，叫做（主桁架的）水平桁架片，斜邊所在的桁架平面由于承受整個桁架的荷載較少，叫做（主桁架的）副桁架片，這樣主桁架各部分的功能明確[2]。

主桁架的弦桿、腹桿均選用鋼方管，僅水平桁架片、副桁架片的斜腹桿為相互交叉的只拉角鋼桿件。主桁架共設四個支座，兩個上弦支座設在軸的鋼筋砼梁上；兩個下弦支座，分別設在、軸線上鋼連廊頂層的柱頂。

次桁架為平面桁架，共5 榀，為HJ-2～6，單跨結構，弦桿、腹桿均采用熱軋寬翼緣工字鋼，桁架HJ-2～4 弦高1.5m，上弦一端支承在B 棟屋頂的鋼筋砼梁上，另一端連于主桁架的上弦節點；HJ-5、6 弦高均為4m，主要為滿足建筑要求。HJ-5 一端的上弦支承在B 棟屋頂的鋼筋砼梁上，另一端的上下弦分別連于主桁架的上、下弦節點；HJ-6 桁架一端的下弦支承在B棟屋頂的鋼筋砼梁上，另一端的上下弦分別連于主桁架的上下弦節點。

所有豎向荷載由豎向桁架承擔，采光屋頂南北側面傳來的風荷載都由水平桁架片承擔，西面的風荷載則由、軸上的次桁架及其上下弦支撐體系構成的“空間桁架”承擔。溫度變化引起的內力由桁架自身的變形吸收。

采用桁架檁條結構體系，傳力路徑清晰，結構受力明確，構造簡單易實現。但本工程結構整體跨度大、自身穩定性差，單個構件受荷面積大，因此，設計中重點要解決整個結構體系以及組成部分的穩定性的問題；解決溫度變化對大跨度結構變形的影響；各種荷載組合下的結構安全性等幾個問題。

3.采光頂鋼結構整體穩定性分析

主桁架為倒直角三角形空間結構，屬自身偏心構件且重心高，一方面在空間桁架上弦軸方向的兩個端點各設一個支座以降低空間桁架重心，另一方面，以主桁架片平面為軸，次桁架布置在主桁架重心的另一側，以平衡偏心，次桁架同時作為空間桁架的平面外支撐結構。

次桁架HJ-5、6 在各自的平面內和主桁架構成了有兩個多余約束的幾何不變體，它們之間又設置了上、下弦橫向水平支撐、垂直支撐各五道，就使之形成一個剛度很大的“剛體”，再通過剛性檁條把其它次桁架和“剛體”連接起來，解決了次桁架平面外穩定問題——上弦壓桿的平面外穩定，同時還能共同承擔次桁架平面外的風荷載。次桁架承受較大橫向荷載的邊支座處也用剛性檁條連接起來，并和其它剛性檁條一樣，端部固定于鋼筋混凝土結構梁柱上，作為次桁架的平面外支撐，保證次桁架在平面外不失穩，從而使整個結構的穩定性得到保障。

4.溫度效應對結構的影響

設計中，對于溫度效應主要考慮了三個方面的問題：

（1）采光頂頂面為三層剛化中空Low-E 玻璃，有良好的低導熱、低輻射性能，受外部溫度的影響不大，使鋼結構基本處于室內環境。

（2）八佰伴為高檔大型商場，集中空調，室內常年溫度變化不大。

（3）適當考慮溫度變形的影響，考慮到室內有可能有一定的溫度變化，在結構計算分析中，給結構施加了0℃～30℃的溫度荷載的變形影響，使結構自身有承受30℃溫度變化的能力。

5.結構計算分析

本工程主桁架不僅跨度大，其上的受荷寬度更大，平均達到12m，最大16m，因此結構安全分析不能輕視。本工程采用同濟大學鋼結構計算分析軟件3D3S 進行了建模分析計算，Sap2000 進行驗證。

5.1 荷載取值

在結構分析中考慮了恒載、活載、風載、雪載、水平地震作用、溫度作用。恒載考慮面板玻璃及其構配件的重量以及結構構件自重，由于結構構件外有裝飾材料包裹，自重乘1.2 的增大系數；溫度荷載計算中考慮0℃～30℃，并作為一種可變荷載參與組合。結構重要性系數取1.1。

5.2 荷載組合

按國家現行規范的有關規定進行了荷載組合，考慮了各種荷載在最不利組合情況下對結構的影響，對于結構變形的計算則采用除風荷載以外的靜載和活載的標準值進行。主要考慮了以下6 種不利荷載組合，具體如下：

（1）考慮了所有作用方向向下的荷載作用下，可能的最大和最不利的情況。

（2）考慮了結構靜載、活荷載、風荷載、水平地震作用下，可能的最大和最不利的情況。

（3）考慮了結構靜載、活荷載、風荷載、溫度荷載作用下，可能的最大和最不利的情況。

（4）考慮在結構靜載、風荷載作用下，使主桁架結構翻轉的最不利情況。

（5）考慮除風荷載以外的靜載和活載的標準值，計算各構件的變形情況。

（6）考慮水平風荷載，考察結構抵抗水平方向荷載的能力。

6.重要節點構造

由于采用了管式交匯相貫節點，具體設計時考慮了：

（1）主管和支管或者兩支管軸線間夾角不小于30 度，否則不易焊接，質量難以保證。同時兩支管間間隙應大于0，以防焊縫疊加。節點焊接采用鋼管相貫節點連接，焊縫為E50xx型，全熔透施工，鋼管的連接焊縫標準不低于二級標準。采用T、Y、K 鋼管相貫節點驗算公式進行驗算。

（2）本工程支座處匯交桿件多，為便于安裝和保證焊接質量，在不影響建筑效果的前提下，將各支座均通過加勁肋向下移動，使支座中心和桿件中心不重合，產生的偏心距由支座加勁肋承擔,建模計算時考慮此偏心。

（3）本工程由于每榀桁架支座平面內鉸接，平面外剛接，連接板外側按計算增加加勁肋。

（4）鋼桁架上、下弦桿選用較大外徑和壁厚的方鋼管。從鋼管節點的構造來保證弦桿外徑大于腹桿外徑，弦桿壁厚大于腹桿壁厚，避免了雙節點的桿件搭接，保證了相貫焊接的質量。

7.結束語

（1）在大跨空間結構中采用空間管桁架是一種經濟合理的結構形式。空間管桁架的自身剛度大，用鋼量小，施工方便，可單榀制作,還能與其它形式桁架混合使用，適用于復雜多變的建筑形式，并具有明確的結構傳力方式[3]。

（2）倒三角形空間桁架的穩定性相對較差，在滿足建筑效果的情況下，要充分重視穩定性的分析。在設計中應通過增設橫向和縱向支撐來形成幾何不變體系。

（3）溫度效應對大跨度結構有一定的影響，合理確定環境使用溫度頗為重要。