滬渝高速公路仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓鋼管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究

李耀雄

一、工程概況

滬渝高速公路仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓為三層框架結(jié)構(gòu)，屋面為一橢圓形曲面，長軸方向尺寸為78.4m，最大懸挑長度為16.7m，短軸方向尺寸為25m，最大懸挑長度為5.3m；正立面通過立柱懸挑，立柱高7.65米，懸挑高度3.15m，厚度0.4m，外端懸挑跨度30.5米；屋面與立柱懸挑部分通過一0.4m厚的雙向曲面“飛躍”相連（如圖1所示）。

圖1 仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓效果圖

二、鋼管桁架的計算模型及結(jié)構(gòu)布置方案

整個鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系可分為以下三部分：（1）屋面桁架結(jié)構(gòu)體系；（2）空間曲面連接桁架結(jié)構(gòu)體系；（3）立柱懸挑桁架結(jié)構(gòu)體系。鋼管桁架整體結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。

圖2 鋼管桁架整體結(jié)構(gòu)布置三維圖

1.計算模型

結(jié)構(gòu)的計算主要采用了同濟大學(xué)編制的3D3S計算軟件進行結(jié)構(gòu)的靜、動力分析、截面驗算與優(yōu)化設(shè)計，并采用美國CSI公司研制開發(fā)的通用軟件SAP2000計算程序進行對比分析。本工程先采用sketchup軟件及Autocad進行三維建模，確定主桁架的空間定位，然后通過主桁架的節(jié)點確定平面外的支撐弦桿位置。桿件之間的連接有鉸支和固支連接兩種，屋頂下部結(jié)構(gòu)以及立柱懸挑桁架側(cè)向支撐均為混凝土結(jié)構(gòu)。

2.結(jié)構(gòu)布置方案

根據(jù)結(jié)構(gòu)體系的外形特征，經(jīng)過多種方案比較，屋面、立柱部分以及連接段均采用鋼管桁架結(jié)構(gòu)體系，其承重主要由縱橫兩個方向的平面桁架組成，考慮到平面桁架平面外的穩(wěn)定性，在桁架平面外均設(shè)有支撐弦桿。

（1）屋面桁架

在滿足建筑屋面為橢球面的外形條件下，將橫向桁架的上弦設(shè)計為圓弧，由于桁架支座距離不大（為8m），為節(jié)省鋼材，在桁架支座之間將下弦設(shè)計成圓弧，懸挑段然為平段。

（2）空間連接桁架

空間連接桁架為連接屋面與立柱左懸挑端的一造型新穎獨特的光滑曲面，曲面厚度450mm。該雙向曲面桁架的上下弦均為圓?。聪覘U上每點曲率相同）。

（3）立柱懸挑桁架

在立柱懸挑桁架結(jié)構(gòu)體系中，桁架厚度與空間連接桁架一樣，均為450mm，當該整體桁架平面外無側(cè)向支撐時，懸挑端頭計算位移過大，無法滿足設(shè)計要求，為此，在水平桁架中部設(shè)置鉸接支撐，與主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相連，每隔約2.5m設(shè)置一支撐點，該相連處設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)雨棚。

三、荷載與作用

建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，抗震設(shè)防重要性分類為丙類建筑?；撅L(fēng)壓為0.5kN/m2，基本雪壓為0.5kN/m2。建筑物場地類別為三類。

1.恒荷載與活荷載

在計算模型中，恒載取值時屋面內(nèi)外側(cè)考慮了裝修荷載、懸挑處吊頂荷載以及焊縫重量對鋼結(jié)構(gòu)自重的影響。此外，屋面維修活荷載與雪荷載不同時發(fā)生。

2.溫度荷載

在進行鋼管桁架整體計算時，將結(jié)構(gòu)主體桁架合攏時的溫度作為結(jié)構(gòu)的初始溫度（也稱安裝標準溫度）。在確定結(jié)構(gòu)的合龍溫度時，筆者首先考慮了當?shù)氐臏囟葰庀髼l件，并應(yīng)使該溫度比較接近年平均氣溫，有利于合龍施工，其次考慮施工進度計劃與可能出現(xiàn)的變化情況，預(yù)留一定的允許溫度偏差范圍。

3.荷載工況組合

荷載組合考慮了非抗震設(shè)計時的荷載工況組合以及抗震設(shè)計時的荷載工況。桁架體系的活荷載布置考慮了活荷載布置的不利影響，并考慮了風(fēng)向的不同作用對結(jié)構(gòu)的影響。

四、構(gòu)件截面設(shè)計

1.構(gòu)件材料、桁架節(jié)點設(shè)計

本工程均采用無縫鋼管，每榀主桁架上弦及下弦主管為連續(xù)管，弦桿與主管鉸接連接，圓鋼管的連接采用相貫節(jié)點連接，相貫節(jié)點的設(shè)計根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)驗算節(jié)點處焊縫的強度，以及支管的節(jié)點處承載力的驗算。節(jié)點設(shè)計的一般要求：

（1）上下弦主管應(yīng)連續(xù), 支管端部相貫焊接于主管上，支管端部相貫面切割應(yīng)采用五維或六維相貫線自動切割機切割成帶變化剖口的與主管外表面完全吻合的空間曲線形狀, 直接焊接于主管外壁上。

（2）主管與支管之間的夾角以及支管間的夾角不應(yīng)小于 30°。相貫節(jié)點各桿件的軸心線應(yīng)盡可能交于一點, 避免偏心, 如果無法避免, 當偏心距小于主管的直徑的 1/4 時可不考慮對節(jié)點承載力的影響。

（3）支管端部應(yīng)與主管接觸良好, 不得有局部空隙。

2.構(gòu)件的截面選取原則

設(shè)計綜合考慮結(jié)構(gòu)類型、節(jié)點構(gòu)造等多種因素，遵循了以下原則：

從節(jié)點強度的觀點看，應(yīng)優(yōu)先選用管壁較薄的弦桿。

受壓弦管要求具有最大的回轉(zhuǎn)半徑，減小壓桿長細比λ，故選用直徑大而壁薄的鋼管，因而弦桿具有較大的出平面外慣性矩，使桁架在平面外具有最大的穩(wěn)定性。

對于有間隙的節(jié)點，應(yīng)盡量使斜腹桿對弦桿有最大的寬度比。為此，使弦桿的側(cè)向尺寸保持最小，同樣，其腹桿亦應(yīng)采用直徑大而壁薄、而不采用直徑小而壁厚的鋼管。

按《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，上弦或下弦桿件當其內(nèi)力分布較大時，將會造成沿受力方向相鄰桿件規(guī)格過于懸殊，而造成桿件截面剛度的突變，故從構(gòu)造考慮，其受力方向相連續(xù)的桿件截面面積之比不宜超過1.8倍。

五、構(gòu)件應(yīng)力比限值與優(yōu)化設(shè)計

在進行整體結(jié)構(gòu)計算時，在滿足構(gòu)件滿足長細比要求的同時，所有構(gòu)件的控制應(yīng)力比不大于0.8?？紤]相貫節(jié)點的不均勻焊接及非節(jié)點荷載的影響，桁架次結(jié)構(gòu)的控制應(yīng)力比在0.5～0.8，主桁架控制應(yīng)力比在0.6～0.8范圍內(nèi)變化。

六、結(jié)論

（1）在仙桃服務(wù)區(qū)綜合樓鋼管桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，在保證建筑外形美觀的前提下，整體桁架結(jié)構(gòu)采用平面管桁架結(jié)構(gòu)體系，鋼管之間直接相貫焊接，使鋼管之間的連接簡潔明了。屋蓋支座板式橡膠板墊塊，能較好地適應(yīng)輕質(zhì)屋面材料屋蓋結(jié)構(gòu)對溫度變形的影響。

（2）在空間連接桁架結(jié)構(gòu)體系中，由于該空間曲面為非圓球面，如何縱橫剖切該曲面，使得兩方向的平面桁架的上下弦均為圓上的一段弧（即具有相同曲率），筆者結(jié)合建筑空間曲面的形成原理，建立該曲面的三維坐標方程及極坐標方程，得出了正確的剖切方向。該剖切方向的確定，解決了空間各節(jié)點的定位、施工圖的繪制以及工廠如何加工安裝該雙向桁架的難題。

（3）在立柱立柱懸挑桁架結(jié)構(gòu)體系中，由于立柱懸挑較大，且向內(nèi)側(cè)傾斜，懸挑端頭計算位移過大，無法滿足設(shè)計要求，為此，在水平桁架中部設(shè)置鉸接支撐，與主體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相連，該相連處設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)雨棚，這樣既解決了立柱懸挑桁架的位移與安全問題，對建筑立面也無影響。