某大跨度展覽中心結構方案優化比選及難點分析

許紹軍

（中國城市建設研究院有限公司，北京 100120）

在目前復雜鋼結構應用過程中，尤其是針對大跨度建設，需要對其進行合理設計，因為其自身結構較為復雜，并且在具體應用過程中靈活性較高，需要進行結構方案分析優化對比，才能夠使其實際使用效果更加良好。

1 工程概況

某展覽中心項目，本建筑為多層建筑，功能主要為展覽展示、研發實驗室、研發辦公、會議、輔助性用房等。地上二層，一層為大空間展示中心，層高13.2 米，跨度29 米，13.2 米層高范圍局部有兩個錯層（層高分別為4.2 米，3.9 米和5.1 米），二層層高7.8米，展示中心跨度29 米。本展示中心荷載取值較大，一層活載取值10kN/m2，二層活載5kN/m2，場地基本地震烈度為8 度，設計基本地震加速度0.2g，抗震設防類別為乙類，基本風壓0.45kN/m2基本雪壓0.3kN/m2。中間柱距29 米大跨度展廳，四周為辦公及輔助用房及樓梯等公共空間，該建筑平面長度153.6 米，寬90.5 米，建筑中心為展示展覽中心大跨度，大空間，層高13.2 米，跨度29 米，四周為輔助用房，13.2 米層高內兩層夾層，柱距9.6 米。

根據《建筑抗震設計規范》，該結構屬于體型復雜的結構型式，由于大空間及錯層影響，在地震作用下結構的扭轉剪切作用明顯，對結構受力極為不利，[1]為此在展示空間部分結構形式選擇極為重要，既要保證自身強度、穩定、撓度要求，同時也要能和主體框架協調工作，受力合理。由于二層荷載較大，二層活載5kN/m2，樓板為壓型鋼板組合樓板，擬采用H 型鋼桁架，管桁架作為大空間主要受力構件，桁架與柱子剛接為宜，屋面結構因荷載比較小，不上人屋面，可采用變截面梁或網架結構作為主受力構件，結構形式的最終確定需要進一步做分析優化對比。

2 結構選型與結構布置

2.1 主體結構選型

本工程結構平面不規則，首層層高13.2 米，四周夾層分部在13.2 米層高之間，形成局部錯層，造成豎向剛度不連續，結構關系示意詳見圖1 所示。主體結構設計時一個重要的任務就是要避免結構在地震作用下出現嚴重的扭轉變形。二層層高7.8 米，中間展示中心功能為展覽展示，柱距29 米，屋面層結構標高21 米，整體結構采用鋼框架結構。

圖1 中間大空間桁架與周邊結構構件位置關系示意圖（局部）

2.2 大跨結構選型

本工程結構特點是跨度大，最大跨度29 米，荷載大，大跨度展示中心位置為正常使用樓面，需要做現澆樓面，使用活載5kN/m2。結構平面不規則，中間展示中心層高13.2 米，四周夾層分部在13.2 米層高之間，形成局部錯層，造成豎向剛度不連續。主體結構設計時一個重要的任務就是要避免結構在地震作用下出現嚴重的扭轉變形，由于大空間面積較大，層高較高，大空間結構自身的質量及縱向剛度很大，具有限制主體結構側移變形的潛力[2]，因此首先考慮大空間結構采用桁架結構。

鋼桁架上下弦桿及鋼框架梁兩端均與主體結構鋼柱采用剛接連接，整體性更好，既避免了地震作用下出現強烈扭轉，又保證了桁架自身的強度與剛度，避免跨中出現較大撓度。初步擬定大空間范圍采用桁架結構，屋面采用變截面梁，梁端截面變高，中間段高度變小，形成拱形型梁，保證了梁自身的強度與剛度，避免跨中出現較大撓度，微拱造型更美觀大方，滿足建筑需求。

2.3 樓面體系

普通樓層樓板，為增加鋼框架的側向剛度，各層樓面均采用鋼梁+組合樓蓋體系（非組合型），樓面鋼梁兩端均與縱向鋼框架梁采用鉸接連接，各層樓面荷載先傳給樓面梁，通過樓面梁傳遞給縱向框架梁。

桁架區域，為增強鋼框架的側剛向度，樓面均采用均采用鋼梁+組合樓蓋體系（非組合型），樓面鋼梁兩端均與桁架采用鉸接連接，樓面荷載先傳給樓面梁，通過樓面梁傳遞給縱向桁架。

2.4 地下結構

本項目首層為主要展示空間，大型展覽均放在首層，首層活載10kN/m2，普通小型貨車能直接進出展廳進行裝載及拆卸。考慮荷載較大，地下一層采用鋼筋混凝土框架結構，現澆混凝土樓板，主次梁結構形式，地下柱距控制在8.9 米跨度，地上大空間29 米跨度柱距在地下一層中間加柱子均分，形成均勻柱跨，達到節約成本的目的。

3 結構方案優化比選及難點分析

3.1 二層大空間結構方案優化比選

3.1.1 H 型鋼作為桁架構件

大跨度結構方案擬選定為桁架結構，桁架結構與柱子采用剛接連接，增強側向剛度。設計工程中對H 型鋼桁架和圓管桁架進行優化設計對比分析，通過計算軟件盈建科2.0.3 進行整體計算，桁架部分采用3D3S14.1 進行建模分析，并拼裝進主體結構合模進行整體分析。

首先采用H 型鋼作為桁架弦桿和腹桿進行試算[3]，因場地類別為三類場地，8 度抗震設防，且展覽作為人流密集場所，按照建筑分類設防標準要求，屬于乙類建筑，高烈度下H 型鋼截面相關參數指標，高厚比，寬厚比均應滿足建筑抗震設計規范，因此出現板件較厚，靠近柱的桁架桿件截面厚度達到45mm，且僅僅桁架部分含鋼量達到1200 噸。

3.1.2 圓管作為桁架構件

管桁架由于自身構件的特殊性，平面外穩定更容易控制，板件厚度相對H 型鋼要小很多，總體桁架部分含鋼量為720 噸，遠小于H 型鋼桁架含鋼量。綜合施工成本，管桁架加工費比H 型鋼桁架略高一些，但管桁架為相貫焊接，沒有螺栓，線條美觀，更能滿足建筑造型需求，無需吊頂即可帶來結構美感，故選擇管桁架作為大空間主結構，達到節約成本，美觀大方，使用方便的效果[4]。

3.2 技術難點分析及節點處理

3.2.1 技術難點分析

1.經過分析優化對比，本項目大跨度部分采用平面鋼管桁架，橫向和縱向交錯布置，確保桁架平面外的穩定。

管桁架在外型尺寸的選擇上，根據工程的經驗和規范推薦值，可以參考桁架的上下弦桿間距取總跨度的1/20～1/30，管桁架的高度取總跨度的1/12～1/16，矢高可取跨度的1/3～1/6，弦桿和腹桿之間的夾角不宜小于30。

2.管桁架是指用圓管桿件在端部相互連接構成的格構式結構，與傳統開口截面（H 型鋼和I 字鋼）鋼桁架相比，管桁架結構截面材料繞中和軸分部較均勻，截面具有更好的抗壓和抗彎承載能力及穩定性，相貫焊接，無需節點板，構造簡單。

在創建管桁架模型時，本項目整體計算采用盈建科2.0.3 進行整體計算，桁架部分采用3D3S14.1 進行建模分析，桿件及節點設計應按基本組合作用的效應確定內力設計值。

對抗震設計，地震組合的效應按GB50011-2010《建筑抗震設計規范》（2016 版）考慮相關抗震調整系數后計算。

對非抗震設計作用及作用組合的效應按GB50009-2012《建筑結構荷載規范》和GB50017-2017《鋼結構設計規范》相關規定，對位移驗算時，應取標準組合作用下的效應來確定撓度。

3.2.2 復雜節點處理

1.單榀管桁架相貫節點通常在主管和噴嘴之間使用橫向接頭，也稱為橫向結。通常，節點損壞很容易導致桿失效，并對整個結構的破壞產生連鎖反應。相交節點也是該結構的高能耗部分，因此，相交組件的設計非常重要，并且對焊縫的要求也相對較高，公共集管和主管必須通過完全角焊連接。如果噴嘴的壁厚較大（t ≥6mm），則建議在噴嘴的周圍使用對接焊縫和幾次角焊縫。所有類型的焊縫都必須具有凹槽，其形狀取決于噴嘴的壁厚和焊縫的位置。如果噴嘴的壁厚小于6mm，則無法切割凹槽，角焊腳的高度不得超過分支管壁厚的兩倍。

2.節點驗算是管桁架設計的重要環節，驗算節點時，按照《鋼結構設計標規范》GB50017-2017 節點驗算要求：

一是節點極限承載力必須大于相應軸力的絕對值。

二是支管與主管夾角不宜小于30 度。

三是角焊縫高度不應大于支管壁厚的2 倍。

四是支管壁厚不應大于主管壁厚。

五是支管外徑與主管外徑之比應在0.2 到1 之間。

對于復雜節點容易出現節點支管軸力限值小于支管軸力，此時應調整主管型號或采取構造措施加強節點，通常通過計算加厚主管壁厚或節點貼鋼板，四面圍焊來補強節點。

4 結語

結合上文分析，在大跨度復雜鋼結構設計過程中，需要對其可能存在的技術問題進行合理探究，這樣才能夠對這些問題的根本原因進行分析，以便對其進行合理解決。在具體結構探究方面，需要結合其設計過程以及各方面數據的穩定性來進行討論，這樣能夠更加明確地發現問題并及時解決，進而提高技術水平。