某室内水乐园大跨度钢结构屋盖设计

某室内水乐园大跨度钢结构屋盖设计

丁俊杰

四川省成都市四川城市职业学院610101

摘要：本项目形态属非线性建筑，使用空间桁架，分成两个椭圆，长轴、短轴的长度分别为153米和52到68米。本文介绍此钢结构的桁架与布置情况，使用数值风洞研究了此种建筑的不利风荷载影响，并考虑到不均匀雪荷载取值。分析时使用多种计算软件加以对比，研究了温度与地震作用影响结构的情况。所阐述的结构分析方法对同类工程有一定指导效果。

关键词：非线性建筑；数值风洞；空间桁架

一、工程简介

工程位于贵州某地，主体结构形似两个椭圆。属于温泉大棚项目，设计要求内部具有大型无柱空间，并有较高的天然采光要求，设计师采用现代风格，使其具有现代气息和科技感，使其功能和形式完美融合。基于建筑设计理念，结构采取立体桁架体系，高度25.5m，跨度为61.5m，其中有泳池、设备机房。

施工地点抗震设防烈度是6度，基本地震加速度是0.05g，第三组地震分组，Ⅱ类场地，特征周期是0.45s。基础持力层多为碎石土，埋深4.4m。为达到后期内设改造需要的，基础使用整体筏板，普通位置厚度为0.6m，钢结构桁架柱脚部厚度为1.5m。筏板整体性较佳，刚度强，因顶部反压填土达到2.8m，因此也能达成抗浮需要。

二、结构设计分析

（一）结构布置

钢结构选择了9榀“▽”型立体主桁架，跨度32.7m到61.8m不等，每榀距离15m，柱脚是稳固铰支座；腰部固定两个环形桁架，放置于水平高度为9m与16m，两侧固定斜向桁架核环形桁架链接；进口前门的空间桁架跨度40.6m。两个椭圆面处为斜交平面次桁架，以提升平面中的稳固性；两球相接处通过用三榀横向桁架连接。

主桁架宽度为2m，随着跨度的差异设置2到2.6m高的“▽”型立体桁架，典型上弦/下弦杆截面分别为Φ351×20和Φ351×35，腹杆为Φ133×12。所有主杆件使用Q345B钢管。

（二）结构模型的建立

考虑到非线性外形，传统的按照建筑剖面进行建模无法达到构件完美贴近建筑表层，工作量大也易于产生错误[1]。经过多次尝试，使用犀牛软件做表皮空间采样，并结合抽离空间线段录3D3S建模。从生成的结构透视图能够看到桁架上弦杆高度不一，使得部分构件不规正，不过这样可以更好的达到构件紧贴建筑外皮的效果。

三、主要结构设计条件

（一）风荷载取值

工程地点为山区，风荷载是结构设计中的重要荷载，按照规范基本风压0.35kN/m2，其地表粗糙度为B类。因为是非线性建筑，相关规范表格中无法获知具体体形系数，为更精准对其表面风压分布进行获知，结合前人[2-4]经验，最终采用了Transition-SST模型。

先通过犀牛软件对建筑模型进行还原，并导入ANSYS进行风场范围建模以及划分网格。而后把模型及有限元和网格导入，ANSYS-Fluent，定义速度进口/压强出口边界条件，自写脚本编写了以高度为自变量的入射风场，实现了此结构风荷载有限元的解析。

如风荷载由建筑侧向以直角向结构吹拂，出射向建筑侧面会出现风吸。因为建筑高度较低，工地地势较平，因此于高度方向上风速改变不显著。

（二）雪荷载取值

本建筑属于大跨度结构，依据荷载规范，是对于雪荷载比较敏感的一种建筑，基本雪压按照百年一遇来计算，并结合山地雪荷载系数为1.2×0.3=0.36kN/m2。于建筑物表层的凹进部分，顾及到分布不匀状况，雪荷载标准值则为Sk=0.36×2.0=0.72kN/m2。其分布示意图如下图1所示。

（三）温度作用

钢结构温的度运算时以估计合拢温度为10℃为基础，按照我国相关规范，本地温度基本在-4-30℃左右，计算依照温度降-15℃与升30℃两个情况来进行组合计算。图1雪荷载标准值分布示意图。

（四）地震作用

施工地点抗震设防烈度是6度，基本地震加速度是0.05g，影响系数max值0.04，Ⅱ类场地，阻尼比设置为0.03。本工程对X、Y、Z、斜交45度进行定义[5-6]。

四、结构分析结果

（一）周期及振型

第一阶的振型基本上是短向平动，T1为1.27s，尚处于相对合理范围，第二阶的振型则以长向平动为主，T2为1.05s，第三阶为扭转，Tt为0.85s，周期比为0.67，基于结构模态分析的数据能够认定结构有着良好的抗扭刚度。

（二）结构变形

经过前期的结构布置分析可以认为，腰部2条桁架对于结构整体刚度与各个榀桁架的协调工作有一定的影响，通过多次分析计算，决定把原方案里的三角桁架改变成矩形空间桁架，并加入了跨度比较大的数个桁架附近杆件的截面。如果加上1.2恒载与1.4风荷载，原本的方案结构最大的水平位移是0.231m，D/H为1/118，加强后的结构则为0.056m，D/H为1/486，达到《钢结构设计规范》的具体数据要求。

结构1.0于恒定载荷+1.0的活载情况中，竖向挠度max值为72.1mm，产生于对大跨度主桁架的中点处，是对应跨度的1/852，达成《空间网格技术规程》里所要求的1/250以下[2]。结构变形的分析数据证明结构的整体刚度合适。

（三）线性屈曲分析

本工程属于拱形桁架结构，必须对其结构整体的稳定性进行确认，以确保结构的合理性。对三种基本的工况进做出稳定性的分析。第一阶失稳位置都产生在平面次桁架处，三个工况前六个屈曲模态均为发生主桁架失稳的状况，具体的屈曲特征值如下表所示。各种特征值都能达成《空间网格结构技术规程》中超过4.2的标准[3-4]，这表明结构整体有着较好的稳定性，在后续的设计当中考虑新增檩条以使得次桁架更为稳定。

表1结构的屈曲情况

（四）典型主桁架设计结果

经过计算可以看到，桁架两端杆件的内力显然是超过中间杆件的。所以把端部杆件的截面加大，向上逐渐减小杆件截面，能够更加经济地使用材料[5]。结构两端的桁架跨度较短，杆件内力同样较小，经过多次的计算条件，对杆件截面进行尝试性调整。最终对于典型主桁架杆件的截面设计结果如下表。小震设计应力比限值如果定为0.8，通过计算全部杆件都能达到承载力与稳定性的要求。中震设计时的支座杆件应力比应保持在0.9以下，从而达成中震弹性的性能要求。

表2典型主桁架杆件截面

（五）典型支座设计

在进行支座设计时，使用了最不利组合的包络设计。可取跨度尺寸61.5m最大跨桁架的2个基本的支座反力加以分析，轴力max值为3583kN，与之相对的荷载组合则为1.2恒载+1.4活载+0.84升温，水平方向反力max值为1311kN，与之相对的荷载组合为1.2恒载+0.98活载+0.84左风+1.4升温。

图2典型支座

主桁架支座最终使用了抗震的球形基座，基座依照中震弹性实施设计。对球形支座新增两道厚度为22mm的水平肋板与字纵向肋板来对其强化[6]。主桁架支座使用的都是固定铰支座，支承于混凝土框架柱上方，并修造剪力墙来分担水平力。典型支座具体如图2。

结论

本文介绍了一个地处高山的大跨度钢结构屋盖设计过程，阐述了具体建模步骤，而且因为其风、雪载荷无具体规范，因此本文给出细致的解决办法。通过对结构各种参数的计算保障了结构安全，对相类工程具有指导效用。

参考文献

[1]陈巍.浅析钢结构设计中常见的问题[J].城市建设理论研究：电子版,2016,6(8):00015-00016.

[2]李红运.高层建筑钢结构设计要点分析[J].住宅与房地产,2016(21).

[3]叶继红,申会谦.风荷载下空间网格结构疲劳性能[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(4):842-847.

[4]田黎敏,郝际平,魏建鹏.大跨度单层空间网格结构抗连续性倒塌分析[J].建筑结构学报,2016,37(11).

[5]苏宁,孙瑛,杨林.基于广义回归神经网络的大跨度球面屋盖风荷载预测及其应用[J].建筑结构学报,2016,37(6):101-106.

[6]王军林,李红梅,任小强.不对称及非均匀雪荷载下单层球面网壳结构的稳定性研究[J].空间结构,2016(4).