體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王昱

【摘 要】進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，在經(jīng)濟(jì)持續(xù)不斷發(fā)展的過程中，建筑行業(yè)也進(jìn)入到了一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，期間涌現(xiàn)出了各種不同的新興建筑結(jié)構(gòu)和新型工程設(shè)備，這類新興技術(shù)和新型設(shè)備的應(yīng)用，對(duì)于現(xiàn)代建筑工程結(jié)構(gòu)性能的提升帶來了巨大的便利。如大跨度鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式為大空間建筑結(jié)構(gòu)的修建提供了更好的技術(shù)支持，本篇文章主要對(duì)某體育館的大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面詳細(xì)的闡述，從而對(duì)其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了全面的計(jì)算，以期為其他大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑修建提供參考。

【關(guān)鍵詞】鋼管桁架；立體桁架；相貫節(jié)點(diǎn)

大跨度鋼結(jié)構(gòu)是建筑行業(yè)不斷發(fā)展過程中出現(xiàn)的一種極為優(yōu)秀的建筑結(jié)構(gòu)形式，該建筑結(jié)構(gòu)形式自身所具有的結(jié)構(gòu)性能能夠?yàn)殚_闊性空間提供極為良好的結(jié)構(gòu)支撐，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各種不同的質(zhì)量問題。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際施工的過程中，最為重要的便是對(duì)大跨度轉(zhuǎn)換立體桁架計(jì)算、拱型倒三角形鋼管桁架計(jì)算、構(gòu)造處理、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。下文主要針對(duì)體育館大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了全面詳細(xì)的闡述。

0.工程概況

某體育館建筑平面呈八角形，由65.4m×67.2m 矩形切角而成，地上三層，一層地下室。地下室用作羽毛球館、乒乓球室、健身房等體育訓(xùn)練用房及設(shè)備間。一層局部為門廳及休息室，其余均不設(shè)樓板，以形成地下室大空間訓(xùn)練用房。二層是由籃球賽場、看臺(tái)、舞臺(tái)等組成大空間運(yùn)動(dòng)館，看臺(tái)下夾層為辦公室、會(huì)議室及休息室等。三層和局部四層為休息室、燈光音響控制室及機(jī)房。室內(nèi)座位為3000 座。

屋蓋結(jié)構(gòu)橫向由不等高三跨組成，中間主跨跨度33.6m，為一拱形倒三角形鋼管桁架，凸出屋頂4.5m；兩側(cè)低跨為跨度15.9m 的斜屋面，坡度5%，采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；屋蓋周邊縱向柱距8.4m。屋蓋內(nèi)無柱支承，在軸設(shè)一轉(zhuǎn)換立體桁架，其上弦作為鋼管桁架支座，下弦為網(wǎng)架屋面支座，立體桁架在軸間跨度為42.0m。立體桁架的支座為軸柱頂鋼牛腿。主跨拱形鋼管桁架支座為軸框架柱及軸42.0m 大跨度轉(zhuǎn)換立體桁架。拱形桁架拱頂標(biāo)高23.65m，支座標(biāo)高19.10m；兩側(cè)低跨網(wǎng)架結(jié)構(gòu)支座為周邊框架柱及軸42.0m 大跨度立體桁架，檐口標(biāo)高15.30m。

1.大跨度鋼結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1荷載取值

鋼結(jié)構(gòu)屋蓋上弦均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.35kN/㎡，局部裝飾吊頂取0.3kN/㎡；活荷載取0.5kN/㎡；屋蓋下弦均布恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.3kN/㎡，懸掛維修馬道恒荷載1.5kN/㎡，活荷載取1.0kN/㎡?；撅L(fēng)壓W0為0.35kN/㎡，地面粗糙度類別B 類?；狙篠0為0.5kN/㎡。由于中間主跨為33.6m 的拱形倒三角形鋼管桁架，溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響很大，考慮本地區(qū)季節(jié)性溫差，取△T=±25°C（結(jié)構(gòu)施工安裝時(shí)的溫度與使用過程中溫度的最大差值）?？拐鹪O(shè)防烈度為6 度。對(duì)拱形三角形鋼管桁架和立體桁架計(jì)算時(shí)按規(guī)范考慮各種工況及工況組合。

1.2結(jié)構(gòu)分析

在對(duì)建筑實(shí)自身的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析的過程中，應(yīng)當(dāng)使用SATWE來進(jìn)行整體分析。而其屋蓋結(jié)構(gòu)在進(jìn)行分析的過程則應(yīng)當(dāng)使用有限元分析軟件SAP2000來對(duì)其進(jìn)行深入的分析。并且在實(shí)際分析的過程中，務(wù)必要保證立體桁架、單榀鋼管拱桁架、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)、組合工況這幾個(gè)方面的信息進(jìn)行全面詳細(xì)的分析，最大限度的避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)失誤對(duì)于分心結(jié)果所帶來的影響。而在對(duì)桁架之上不同部位的弦桿件進(jìn)行選擇的過程中，應(yīng)當(dāng)使用梁單元來計(jì)算，而其屋面支撐體系以及腹桿這兩個(gè)部位則可以直接指定成為桿單元。

1.3三角形鋼管桁架設(shè)計(jì)

拱形三角形鋼管桁架的桿件采用Q345B 無縫鋼管，跨中高2.7m，支座高1.35m。上弦桿支座處三節(jié)間為ф180×10，其余為ф180×6；下弦桿支座處三節(jié)間為ф180×10，外挑部分為ф121×4，其余為ф168×6；上弦水平腹桿及斜腹桿為ф68×4，上下弦斜腹桿為ф89×4。鋼管桁架制作時(shí)構(gòu)造起拱15mm。

1.4大跨度立體桁架設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)換立體桁架作為屋蓋系統(tǒng)支撐，承受屋蓋拱桁架支座的豎向力及水平推力，是整個(gè)屋蓋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。該桁架軸間跨度為42.0m，豎向荷載及水平推力均較大，采用平面桁架難以勝任，故采用空間立體桁架。立體桁架是由兩榀平面桁架組成的矩形空間桁架，截面高4.5m，寬2.2m。桿件采用空心方鋼管，上弦桿斷面為500×300×16，支座處斷面為500×300×20，下弦桿斷面為300×300×12。上弦腹桿斷面為250×250×12和160×160×5，其余腹桿斷面為160×160×5和100×100×4。為加強(qiáng)立體桁架的剛度，在立體桁架的每個(gè)集中力作用點(diǎn)處設(shè)置交叉支撐。立體桁架具有很大的抗彎抗扭能力，對(duì)傳遞屋面水平力和增加屋面的整體剛度十分有利。立體桁架設(shè)計(jì)時(shí)，為確保安全，假定拱桁架水平推力主要由立體桁架上弦和水平腹桿組成的水平桁架抵抗。立體桁架是按變形控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，跨中水平位移控制在15mm 內(nèi)，豎向位移控制在30mm 內(nèi)，以滿足作為屋蓋系統(tǒng)支撐要求及保證立體桁架側(cè)面玻璃幕墻安裝。

1.5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

三角形鋼管桁架、立體桁架這兩個(gè)不同部分在整個(gè)大跨度建筑結(jié)構(gòu)中，都屬于鋼管相貫空間體系結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行焊接過程過程中，則應(yīng)當(dāng)使用腹桿以及弦桿這兩個(gè)不同部分匯交相貫。而在對(duì)極為重要的部分進(jìn)行焊接的過程中，就應(yīng)當(dāng)對(duì)不外露的管內(nèi)加上相應(yīng)的勁板，最大限度的提高節(jié)點(diǎn)承載力，避免相貫線部位所存在的壓力過大。而其整體結(jié)構(gòu)中的桁架支座應(yīng)當(dāng)使用具有板式橡膠墊的支座來支撐，通過這一結(jié)構(gòu)形式的支撐，能夠極大的提升支座轉(zhuǎn)動(dòng)所需要達(dá)到的相應(yīng)要求，其實(shí)際參數(shù)不僅完全和假定數(shù)值想結(jié)合，還能夠?qū)τ谥ё南嚓P(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適應(yīng)，適應(yīng)的范圍包括了地震作用、溫度應(yīng)力過程中所出現(xiàn)的不同程度水平變位。而整個(gè)過結(jié)構(gòu)體系對(duì)于結(jié)構(gòu)支撐狀態(tài)來說，有著極大的益處，能夠極大的提升建筑結(jié)構(gòu)壽命。

在對(duì)大跨度的立體桁架、拱型三角形鋼管桁架進(jìn)行焊接的過程中，對(duì)其焊縫有著較高的要求：

（1）其中的矩形鋼管主材在進(jìn)行拼接的過程中，務(wù)必要使用全熔透坡口來進(jìn)行等強(qiáng)度對(duì)焊，而圓鋼管在進(jìn)行拼接的過程中也同樣需要使用全熔透的方式來對(duì)接焊縫，在焊接的過程中還需要加上相應(yīng)的襯管，并且其焊縫的質(zhì)量等級(jí)要保證達(dá)到一級(jí)的水準(zhǔn)。

（2）桁架中的上下弦在工地上進(jìn)行拼裝的過程中，應(yīng)當(dāng)使用全熔透坡口來進(jìn)行焊縫對(duì)接，其焊縫所具有的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)達(dá)到二級(jí)。

（3）各個(gè)不同部位但是存在相貫的節(jié)點(diǎn)，也同樣需要保證焊縫的質(zhì)量達(dá)到二級(jí)。

（4）支座、鋼管這幾個(gè)不同部分在進(jìn)行全熔透焊縫對(duì)接的過程中，焊縫質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)。

2.結(jié)束語

綜上所述，本篇文章主要針對(duì)體育館自身的大跨度屋蓋鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了全面詳細(xì)的計(jì)算分析，并且在這一過程中還對(duì)共性三角形鋼管桁架、單榀轉(zhuǎn)換大跨度桁架、三角形鋼管桁架這三者之間所具有的相關(guān)協(xié)同性進(jìn)行了全面計(jì)算。并且根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得出了以下建議：在實(shí)際施工的過程中，務(wù)必要對(duì)立體桁架的轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行實(shí)全面檢測，保證施工過程中各個(gè)不同桿件的應(yīng)力值在一個(gè)良好的范圍之內(nèi)，以便于其立體桁架擁有更好的結(jié)構(gòu)性能。

【參考文獻(xiàn)】

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