論大跨度體育館桁架的設(shè)計

摘 要：在當(dāng)今的鋼結(jié)構(gòu)建筑屋蓋體系中，鋼結(jié)構(gòu)桁架的結(jié)構(gòu)支撐體系成為眾多大跨度體院館設(shè)計建造的主要形式。大跨度體育館有著得天獨厚的優(yōu)勢，其不但桁架結(jié)構(gòu)線條流暢、安全實用、外形豐富，而且在人員數(shù)量容納和采光、通風(fēng)等方面作用顯著，因此本文旨在通過對這種設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要的分析，以達(dá)到進(jìn)一步認(rèn)識鋼結(jié)構(gòu)管桁架技術(shù)的目的。

關(guān)鍵詞：大跨度體育館；鋼桁架；結(jié)構(gòu)設(shè)計；內(nèi)力；桿件；抗震性能

鋼結(jié)構(gòu)自身的重量小、強(qiáng)度高，可塑性和柔韌性都較強(qiáng)的特點，使其成為公認(rèn)的具有良好性能的結(jié)構(gòu)，而且以桁架為代表的鋼結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用到空間結(jié)構(gòu)體系中，尤其是跨度較大，標(biāo)高較高的大型場館，空間鋼結(jié)構(gòu)管桁架設(shè)計作為其屋蓋結(jié)構(gòu)發(fā)揮著很多的優(yōu)點。

1 管桁架結(jié)構(gòu)的分類

大量的建筑工程實踐證明：大跨度桁架結(jié)構(gòu)的運(yùn)用一方面滿足了建筑的基本原則和要求，另一方面也與最新的設(shè)計理念相吻合。伴隨著建筑業(yè)的不斷深化與發(fā)展，出現(xiàn)了許多類似跨度大、空間形狀相對復(fù)雜多變的鋼結(jié)構(gòu)的建筑，而且在形式方面也日漸新穎。

桁架根據(jù)桿件布置的不同以及受力方式的差異，一般分為平面和空間兩種結(jié)構(gòu)形式。平面桁架是指上、下弦以及腹桿全部處于同一平面，而空間桁架結(jié)構(gòu)的上、下弦同腹桿通常處在一個三角形截面上。一般說來，前者的外部剛度較差，而后者的結(jié)構(gòu)跨度大、穩(wěn)定性高，外觀通常也比較富有美感，因此被采用的較多。另外，對于管桁架的連接件桿件截面的種類，一般常用的為圓形、正方以及長方形，選擇不同圖形的截面相應(yīng)的桁架類型也有所不同。

2 大跨度桁架結(jié)構(gòu)的受力分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

大跨度桁架結(jié)構(gòu)的受力分析及計算是鋼結(jié)構(gòu)屋蓋體系中的重點和難點，因此無論是受力分析還是結(jié)構(gòu)設(shè)計，都需要借助專業(yè)計算軟件的力量來達(dá)到事半功倍的效果。

2.1 計算軟件的選擇

大跨度桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計一般使用同濟(jì)大學(xué)的3D3S軟件，同時還采用有限元軟件Sap2000進(jìn)行校核。3D3S可方便輸入單元、節(jié)點、局部單元荷載，各種工況荷載都可以通過導(dǎo)荷載的方式由面荷載轉(zhuǎn)化為節(jié)點荷載，風(fēng)荷載可自動考慮風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)；可套用多種規(guī)范進(jìn)行驗算，特有同一模型中對不同的單元采用不同的控制參數(shù)功能；可方便輸出模型以及每一單元在各工況、組合下的內(nèi)力、位移、應(yīng)力比圖，因此，工程中最常使用計算軟件為3D3S。同時，采用Sap2000對結(jié)構(gòu)整體分析，可得到桿件最不利內(nèi)力及結(jié)構(gòu)最大變形。

2.2 受力分析

在大跨度體育館桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，傳統(tǒng)的開口截面（如H型鋼和I字鋼）應(yīng)用的很多，但相比較來講，尤以管狀的桁架更為常見，因此本論文在講述桁架結(jié)構(gòu)的受力特點和計算規(guī)則時，主要是以管狀的桁架為例。管桁架，是指用圓桿件在端部相互連接而組成的格構(gòu)式結(jié)構(gòu)。

通過建模分析以及荷載的組合分配，理論上將大跨度體育館桁架的荷載分為永久荷載與可變活荷載兩類。前者主要指承重結(jié)構(gòu)的自重（包括桿件及節(jié)點的自重）、屋面板及檁條的自重、馬道、吊掛燈具及其他設(shè)備的自重，一般按從屬面積折算荷載值；后者主要是一些不確定的載荷，如風(fēng)荷載、雪荷載、上人屋面的荷載，甚至是地震荷載等作用在屋蓋上的“可動力”。

管桁架結(jié)構(gòu)的計算要滿足基本的規(guī)定：管桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行重力荷載及風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、位移計算以及整體的穩(wěn)定性驗算，并應(yīng)根據(jù)實際情況，對地震、溫差變化、支座沉降及施工安裝荷載等作用下產(chǎn)生的位移與內(nèi)力進(jìn)行計算。其中，內(nèi)力和位移可按彈性理論，采用空間桿系的有限元方法進(jìn)行計算。外荷載可按靜力等效原則將節(jié)點所轄區(qū)域內(nèi)的荷載集中作用在該節(jié)點上。結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)考慮上部空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)于下部支承結(jié)構(gòu)的相互影響；另外應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、支座節(jié)點的位置、數(shù)量和構(gòu)造情況以及支承結(jié)構(gòu)的剛度，確定合理的邊界約束條件。

當(dāng)然，受力分析的重點是桁架的節(jié)點處。統(tǒng)籌的講，桁架的相貫節(jié)點有K型、T型、馬鞍加強(qiáng)型（具體如圖1所示），也需要對節(jié)點的受力形式及連接形式進(jìn)行計算。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

追求永無止境，成功的設(shè)計是在保證安全、設(shè)計質(zhì)量、規(guī)范要求等的前提下，盡可能地采用3D3S等結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件對桿件、節(jié)點進(jìn)行對比分析，改善結(jié)構(gòu)布局，運(yùn)用新工藝、新材料、新技術(shù)、新設(shè)備來不斷地優(yōu)化整個結(jié)構(gòu)，以期達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和實用性的推廣作用。

3 大跨度桁架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計

3.1 抗風(fēng)荷載作用的構(gòu)造設(shè)計

對于大跨度的輕型屋蓋來講，風(fēng)荷載的作用是影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要因素。大跨度體育館都要求內(nèi)部空間的寬廣，而這勢必就造成屋蓋在風(fēng)的吸力作用下被掀起，因此大跨度桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要充分考慮整個結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)系數(shù)和抗風(fēng)能力。大跨度結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，質(zhì)量較輕、阻尼較小，處于湍流度高的低矮大氣邊界層中，導(dǎo)致負(fù)壓作用明顯，如屋面轉(zhuǎn)角、邊緣和屋脊等部位。另外，這些部位的壓力波動往往較大，甚至有可能產(chǎn)生交變力的作用，因此這些部位容易成為大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)破壞中首當(dāng)其沖，對風(fēng)災(zāi)后大跨度屋蓋房屋破壞情況的實地調(diào)查資料也充分證實了這一點。

對于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)問題，除了應(yīng)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抗風(fēng)荷載設(shè)計以保證結(jié)構(gòu)主體的強(qiáng)度以外，還需要針對桁架結(jié)構(gòu)的薄弱部位和薄弱環(huán)節(jié)采取有效的抗風(fēng)結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計，用來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)各構(gòu)件之間的整體性。一般來講，體育館中大跨度桁架結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)構(gòu)造設(shè)計從下列三個方面考慮：①加強(qiáng)屋蓋系統(tǒng)自身的連接和整體性；②加強(qiáng)屋蓋系統(tǒng)與其承重墻（柱）體的連接；③加強(qiáng)桁架各個節(jié)點的連接形式。

3.2 桁架的抗震性能設(shè)計

地震是地殼運(yùn)動時地表產(chǎn)生的一系列縱向和橫向顫動。根據(jù)規(guī)范，凡屬劇場、體育館等大跨度公共建筑，其抗震措施按設(shè)防烈度均應(yīng)選用8度設(shè)防，而且多采用時程分析進(jìn)行補(bǔ)充計算。

采用時程分析法時，應(yīng)按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于兩組的實際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振形分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。當(dāng)采用振形分解反應(yīng)譜法進(jìn)行體育館大跨度桁架結(jié)構(gòu)的地震作用分析時，要取前30個振形，而且對體形特別復(fù)雜或重要的需要取更多振形進(jìn)行效應(yīng)組合。在抗震分析時，應(yīng)考慮支承體系對其受力的影響，此時可將桁架結(jié)構(gòu)與支承體系同時考慮，按整體分析模型進(jìn)行計算，其中的地震作用效應(yīng)分析的阻尼比可以根據(jù)不同的情況參照下表。

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